автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Оптимальное проектирование безопасно повреждающихся термооболочек

И 6 од

О /;::!! 'московский ордена Ленина и ордена

ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

На правах рукописи Марков Владимир Георгиевич

УДК 539.3

ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЕЗОПАСНО ПОВРЕЖДАЮЩИХСЯ ГЕРМООБОЛОЧЕК.

Специальность: 05.07.03 -"Прочность летательных аппаратов".

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской революции авиационном институте им. С. Орджоникидзе.

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Авдонин А. С.

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Бакулин В. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кутьинов В. Ф., кандидат технических наук, ведущий инженер-конструктор Елькин Е. Ф.

Ведущая организация - ММЗ "Скорость".

Защита состоится на заседании специализированного совета Д 053.18.03 в Московском авиационном институте им. С. Орджоникидзе по адресу: 125871, Москва, ГСП, Волоколамское шоссе, дом 4.

Дата защиты будет обквлена дополнительно. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан ..V.............1993 года

Ученый секретарь специализированного совета

Д 053.18.03 И.М.Зайцев

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Потребности практики требуют создания совершенных авиаконструкций, обладающих минимальной массой, высокой надежностью и экономичностью. Современные требования подразумевают безопасную эксплуатацию, например, пассажирского самолета в течение 20-25 лет при наличии жестких условий циклического нагружения в крейсерском полете и при посадках, в том числе и при одной вынужденой посадке на воду.

За 20-25-летний срок эксплуатации первоначальные неустранимые трещиноподобные дефекты металлургической или технологической природы, размером от долей миллиметра до миллиметров, вырастают под действием десятков тысяч нагружений (полетов и наддувов) и воздействием агрессивной среды (паров морской воды, атмосферной влаги, кислотных осадков) до обнаруживаемых при осмотрах допустимо-безопасных размеров, равных нескольким десяткам сантиметров.

Кроме того, гермофюзеляж современного пассажирского самолета не должен разрушаться в крейсерском полете при попадании в него частей разрушившегося авиадвигателя: типовой турбинной лопатки и типового осколка турбинного диска с максимальным линейным размером в несколько десятков сантиметров. Все это требует привлечения к проектированию безопасно разрушающихся гермофюзеляжей современных методов механики разрушения. При этом необходимо учесть не только вышеотмеченные требования эксплуатационной живучести гермофюзеляжа при наличии в нем типовых трещин, но и традиционные требования по статической прочности, предусматривающие отсутствие местной и общей потери устойчивости.

Удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к проектируемой конструкции в настоящее время невозможно без применения методов оптимального проектирования. Применению метода оптимизации на начальной стадии проектирования гермофюзеляжа с учетом требований механики разрушения и прочности посвящена настоящая работа. Поскольку реальный процесс создания

гермофюзеляжа состоит из двух - трех приближений, последняя из которых связана с экспериментальной доработкой, то именно на начальном этапе возможна наибольшая польза от применения метода оптимального проектирования, позволяющего учесть требования различных специалистов. Это обстоятельство и обусловило акцент в предлагаемой работе на начальную стадию проектирования с учетом требований механики разрушения.

Цель работы: разработка алгоритма оптимального проектирования безопасно повреждающихся гермооболочек для начальной стадии проектирования, програмная реализация его на ЭВМ и апробация для расчета реальных гермофюзеляжей современных самолетов.

Задачи исследований:

- разработка алгоритма нелинейного математического программирования, позволяющего эффективно решать задачу оптимального проектирования безопасно повреждающихся гермооболочек;

- разработка ограничений механики разрушения для типовых поперечных трещин в верхней панели гермофюзеляжа;

- модификация известных эмпирических ограничений механики разрушения для типовых продольных трещин на случай двухосного напряженного состояния, характерного для верхней, боковой и нижней панелей гермофюзеляжа;

- сравнительный анализ результатов оптимального проектирования реальных гермофюзеляжей малого, среднего и большого диаметров.

Методы исследований основаны на использовании балочной теории тонкостенных конструкций, подкрепленных стрингерами, шпангоутами и стопперами продольных трещин, на применении метода внутренних логарифмических штрафных функций и метода чисел Фибоначчи.

На защиту выносятся: Алгоритм оптимального проектирования безопасно повреждающихся гермооболочек с использованием ограничений механики разрушения, статической прочности, устойчивости, габаритных, жесткостных и конструктивных ограничений; програмная реализация созданного алгоритма; а также полученные на основе разработанного метода результаты вы-

числительных экспериментов по определению обобщенных массовых и жест костных параметров, характеризующих облик оптимальных гермоофюзел яжей современных самолетов.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

- создан алгоритм оптимального проектирования гермофюзеляжей с учетом ограничений механики разрушения, статической прочности, устойчивости, а также габаритных, жесткостных и конструктивных ограничений;

- предложен способ оценки влияния двухосного напряженного состояния на разрушающую способность сквозных трещин;

- разработаны ограничения задачи оптимального проектирования по отсутствию разрушения обшивки и подкрепляющих элементов при наличии типовых трещин в обтпнвке конструкции;

- предложен способ по варьированию формы миделя и угловых размеров фюзеляжных панелей для задачи оптимального проектирования;

- на основе метода чисел Фибоначчи разработан способ варьирования параметров для задачи нелинейного математического программирования на случай многих переменных, проверена его эффективность при проектировочных расчетах;

- создана програмная реализация алгоритма оптимального проектирования гермоболочек, учитывающего требования механики разрушения;

- получены на основе численных расчетов обобщенные массовые и жесткостные параметры, характеризующие облик оптимальных гермофюзеляжей современных самолетов.

Достоверность предлагаемого подхода обеспечивается корректной постановкой задачи и методом ее решения, а также сравнением результатов расчета с соответствующими данными проектных параметров реальных самолетов. Практическая ценность работы:

- разработанная программа оптимального проектирования гермофюзеляжей, предназначеная для специалистов различного профиля, может повышать эффективность их совместной работы при создании фюзеляжей, что особенно важно на начальной стадии проектирования;

- получены зависимости характерных конструктивных параметров гермооболочки от диаметра реальных гермофюзеляжей, которые позволяют прогнозировать массовые и жесткостные характеристики при конструировании новых вариантов гермооболочек малого, среднего и большого диаметров;

- разработанный способ варьирования переменных, основанный на методе чисел Фибоначчи, может быть непосредственно использован для решения задач нелинейного математического программирования;

- показано, что с помощью предлагаемого в работе алгоритма оптимального проектирования можно не только уменьшить массу гермооболочки по сравнению с прототипами, спроектированными в ОКБ, но и одновременно добиться их большей надежности с точки зрения отсутствия всех видов потери устойчивости при расчетных нагрузках и отсутствия хрупкого разрушения от всех видов типовых трещин при эксплуатационных нагрузках.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научном семинаре по оптимизации авиаконструкций в НИО-3 ЦАГИ, на научно-технической конференции "Проектирование, технология, расчетно-экслериментальные исследования конструкций из композиционных материалов" (г. Суздаль, 1992 г.), на научном семинаре "Прикладные методы в задачах прочности", руководимом И. Ф. Образцовым, Б. В. Нерубайло, А. А. Мовчаном, [Ю. С. Матюшевым] (г. Москва, МАИ, 1991 г.). Рекламные материалы программы демонстрировались ЦАГИ на двух международных выставках: "Moscow Aerospace-90" ("Техника аэропорта-90"), "Инноватор-91" (г. Москва) и на Международном аэро-космическом салоне (г. Москва, 1993 г.).

Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 4 статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, 32 иллюстрации, 25 таблиц, список литературы из 233 наименований.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы, дается обзор той литературы, которая тематически наиболее близко примыкает. к рассматриваемой проблеме оптимизации авиаконструкций, поставлена цель работы, приведено ее краткое содержание.

Оптимизация авиационных конструкций в соответствии с выбранной целевой функцией (массой, прочностью, жесткостью, амплитудно-частотными характеристиками) - интенсивно развивающийся раздел науки. Несмотря на достижения в этой области наибольшего продвижения при проектировании надежных конструкций удалось достичь только при использовании концепции допукаемых напряжений, при которых возможна безопасная эксплуатация конструкций в течение заданного срока службы.

Появление в авиации в последние 15-20 лет концепции проектирования безопасно-разрушающихся авиационных конструкций, допускающих безопасный контролируемый рост магистральных трещин, обнаруживаемых при периодических осмотрах, требует использования методов механики разрушения и новых подходов к проблеме оптимизации. Появление концепции безопасного разрушения вызвано ужесточением требований к весовому совершенству авиаконструкций и к их надежности.

Методы механики разрушения успешно развиты применительно к разрушению авиаконструкций. В этой области работали Воробьев А.З., Галкин С.И., Голован В.И., Гришин В.И., Де-меньтьев А.Д., Доценко A.M., Замула Г.Н., Ильичев БД., Лейбов В.Г., Марин Н.И., Нестеренко Г.И., Олькин Б.И., Олькин С.И., Позднышев СЛ., Райхер В.Л., Свирский Ю.А., Селихов А.Ф., Стебнев В.Н., Труннн Ю.П., Украинцев Г.В., Француз Т.А., Чи-жов В.М., Чубань В .Д., Яблонский И.С. и другие.

Изучение публикаций Образцова И.Ф., Васильева В.В., Бу-накова В.А., Авдонина B.C., Фигуровского В.И., Егера С.М., Фролова В.М., Бирюка В.И., Липнна Б.К., Любимова А.К., Малкова В.П., Лазорева В.В., Никитченко Ю.М., Баничука Н.В., Черепанова Г.П., Лисейцева Н.К., Самойловича О.С., Sobieszczansri J.,

Loendorf D.A., Tanner C.J., Kruse G.S., Oman U.U., Dobbs M.W., Nelson R.B. и других ученых показало, что при решении задачи проектирования оптимальных гермооболочек в них чаще всего недоставало рассмотрения требований механики разрушения для. всех типовых трещин с одновременным варьированием формы миделя и с варьированием месторасположения стыков фюзеляжных панелей.

Отмечено, что усложнение задачи оптимизации безопасно повреждающихся авиаконструкций (но сравнению с известной задачей оптимизации авиаконструкций на безопасный срок службы) объясняется следующими причинами:

- необходимостью расчета коэффициента интенсивности напряжений в вершинах типовых трещин, который оценивает опасность хрупкого разрушения обшивки, поврежденной усталостной трещиной;

- необходимостью расчета степени перегруженности конструктивных элементов, примыкающих к типовой трещине, с учетом перераспределения нагрузок с поврежденной обшивки на неповрежденные стрингеры, шпангоуты или стопперы.

Указанные задачи являются достаточно громоздкими в вычислительном отношении, что является одной из причин практического отсутствия публикаций по проблеме оптимизации конструкций с учетом требований механики разрушения и одновре-меной оптимизации конструкций с учетом требований прочности, устойчивости.

В предлагаемой работе указанная трудность обойдена благодаря применению методов многокритериальной оптимизации к известным готовым решениям механики разрушения подкрепленных панелей, скорректированных на основе экспериментов.

Другой причиной практического отсутствия попыток одновременной оптимизации с учетом требований механики разрушения и с учетом прочности, устойчивости конструкции является теоретическая и npütvi. ,; екая сложность создания для этой задачи своего метода нелинейного математического программирования, который обеспечивал бы ее решение в приемли мое время и с наибольшей точностью и эффективностью. (Поскольку одновре-

меннын учет требований механики разрушения, прочности, устойчивости, требований на габариты и форму конструкции влечет за собой необходимость анализа в оптимизационной задаче нескольких десятков ограничений в форме неравенств при наличии около двух десятков независимых параметров конструкции, подвергаемых оптимизации.)

Данная трудность преодолена за счет модификации способа варьирования переменных, использующего свойства чисел Фибоначчи, применяемых до сих пор при поиске экстремума унимодальной функции одной переменной, для задач нелинейного математического программирования со многими переменными.

В первой главе рассмативается постановка задачи оптимального проектиования.

В качестве математической модели отсека гермофюзеляха предлагаемый подход допускает рассмотрение цилиндрических оболочек, нагруженных изгибающими моментами, перерезывающими силами и внутренним давлением наддува. Оболочка состоит из трех типов цилиндрических панелей, подкрепленных стрингерами и шпангоутами: верхней, двух одинаковых боковых и нижней, имеющих постоянный радиус кривизны и плавное сопряжение между собой (рис. 1).

Отмечено, что данная модель гермоотсека предназначена для моделирования участков фюзеляжей, расположенных на некотором расстоянии от центроплана крыла, при котором можно пренебречь краевыми эффектами, обусловленными спецификой соединения крыла и фюзеляжа. На начальной стадии проектирования этот подход является допустимым, поскольку он позволяет определить параметры конструктивно - силовой схемы в наиболее протяженных по длине регулярных зонах гермофюзеляжа самолета.

Для определения нормальных и касательных напряжений при отсутствии трещин используется классическая балочная теория тонкостенных подкрепленных оболочек. Для определения остаточной прочности при наличии трещин и для определения ко-эффциентов интенсивности напряжений в вершинах типовых продольных и поперечных трещин (либо пробоин) используются известные теоретические зависимости, скорректированные на основе

Рио. I.

экспериментов Г.И.Нестеренко и его сотрудниками в ЦАГИ.

Оптимальный проект ищется в классе подкрепленных оболочек, у которых ни один из участков обшивки не имеет местной потери устойчивости при действии эксплуатационных нагрузок. При этом используется расчетная схема, согласно которой стрингеры равномерно распределяются по контуру сечения работающей на нормальные напряжения обшивки и в результате получается гладкая оболочка. Для расчета касательных напряжений учитывается только работа обшивки, так как стрингеры воспринимают только нормальные напряжения.

Независимыми параметрами оптимального проектирования безопасно повреждающихся гермооболочек минимальной массы служат толщины и месторасположения конструктивных элементов, а также параметры, определяющие форму контура поперечного сечения гермооболочки.

В качестве целевой функции оптимального проектирования выбрана масса конструкции. Задача минимизации массы гермооболочки формулируется как задача нелинейного математического программирования. А именно: найти миниум функции

М(х) = min, (1)

при ограничениях в виде неравенств

/(«) > 0, (2)

где М - масса конструкции, х = {я,}, (» = 1,...,/) - вектор конструктивных параметров изделия, / = {/у}, (j = 1,..., J) - вектор функциональных ограничений, формируемых с учетом требований, рассматриваемых в данной задаче. Целевая функция М(х) и ограничения /(ж), вообще говоря, нелинейны.

Оптимизация рассматриваемой конструкции проводится с учетом следующих основных ограничений: по статической прочности и устойчивости в крейсерском полете или при нормальной посадке, по механике разрушения для возможных усталостных трещин в гермооболочке, по жесткостным характеристикам гермо-

оболочки при ее боковом изгибе и скручивании. В задаче учитываются также ограничения на габариты поперечного сечения (по ширине и высоте) гермооболочки, а также минимально и максимально допустимые величины параметров оптимального проектирования.

В качестве дополнительных в задачу могут быть включены ограничения для следующих расчетных случаев: по нагрузкам, действующим на летательный аппарат при вынужденной аварийной посадке на водную поверхность, по механике разрушения для возможных внезапно возникающих пробоин в гермооболочке (от частей разрушившегося авиадвигателя), ограничения на частоты собственных колебаний участков обшивки боковых панелей. Все перечисленные ограничения записываются в форме, соответствующей формулировке задачи нелинейного математического программирования.

Вторая глава посвящена разработке ограничений, используемых в задаче оптимального проектирования.

Стойкость оболочки к общей потери устойчивости (как для конструктивно-ортотропной оболочки с "размазанными" шпангоутами и стрингерами), а также местная потеря устойчивости клеток обшивки при наличии сдвига и сжатия оценивается по известным формулам А.С.Авдонина. Возможность сплющивания поперечного сечения оболочки при изгибе оценивается по полуэмпирн-ческой формуле Ю.Г.Одинокова.

Приводятся вывод неравенств ограничений механики разрушения для типовых трещин. Для типовой поперечной трещины в верхней панели гермооболочки рассматривается совокупность двух критериев: напряжения в наиболее нагруженном стрингере, ближайшем к вершине трещины и коэффициента интенсивности нормальных напряжений обшивки в окрестности вершины трещины. Для расчета отаточной прочности используются номограммы, полученные Г.И.Нестеренко. Полудлина типовой трещины, расположенной под одним разрушенным стрингером, выбиралась несколько большей шага стрингеров, что позволяет снять с поврежденной панели несколько большие напряжения.

Для типовой трещины длиной 150 мм, исходящей от ил-

люминатора,- учитывается ограничение на допускаемое напряжение механики разрушения, определяемое с использованием решения Бови для круглого отверстия с трещиной, направление которой выбирается перпендикулярно главному растягивающему напряжению.

Ограничение механики разрушения для типовых продольных трещин в верхней, в боковых, в нижней панелях гермооболоч-ки представляют собой полуэмпирические зависимости Г.И.Нес-теренко, скорректированные им на основе натурных экспериментов. Они позволяют учесть перегруженность обшивки с трещиной, а также шпангоутов, стопперов, ближайших к вершинам типовых трещин.

Предложен метод, позволяющий учесть в формулах Г.И.Нес-теренко влияние двухосности напряжений на коэффициент интенсивности напряжений в вершинах продольных трещин. Это особенно важно для нижней панели, в которой напряжение сжатия ах от изгиба оболочки, направленное вдоль оси продольной трещины, догружает вершину продольной трещины. Показано, что при этом коэффициент интенсивности напряжений, вычисленный с учетом продольных напряжений, равен:

Ki{ox, сгу) - as+ г), (3)

^РМ2, (4)

где: I - полудлина продольной трещины, г - предлагаемая в диссертационной работе модификация поправки Ирвина на пластичность, <7V - окружное напряжение в обшивке нижней панели от наддува гермооболочки, <гт - предел текучести материала обшивки (если материал обшивки упрочнен, то вместо <тт можно использовать величину (ctj- + сгв)/2; где <тв - предел прочности).

Разработанный алгоритм предусматривает ограничения на минимальный момент инерции гермооболочки при боковом изгибе относительно вертикальной оси и минимальный момент инерции при кручении относительно продольной оси. Учет этих ограничений особенно необходим при проектировании хвостовых частей

гермофюзеляжей, поскольку от них зависит эффективность работы органов управления боковым движением, которые установлены на киле и стабилизаторах. Приводится вывод конструктивных ограничений и ограничений на габариты оболочки, позволяющие варьировать форму миделя.

Требования прочности конструкции гермофюзеляжа в момент его удара о воду при вынужденной посадке подразумевают отсутствие потери устойчивости участка обшивки нижней панели гермофюзеляжа, опирающейся на два соседних шпангоута, и ограничение на максимальное напряжение, возникающее в наиболее нагруженной точке шпангоута. При этом для определения силы сопротивления, действующей гермофюеляж при погружении, используется формула Г. В. Логвиновича.

Условия неразрушения рассматриваемого отсека гермофюзеляжа при попадании в него элементов разрушающегося авиационного двигателя рассмотрено для наиболее опасного случая пробивания верхней панели фюзеляжа в двух близко расположенных местах с последующим хрупким разрушением перемычки обшивки, расположенной между этими пробоинами. Суммарная пробоина моделируется трещиной, что является стандартным приемом механики разрушения, а в качестве критерия неразрушения обшивки используется коэффициент интенсивности нормальных напряжений в окрестности ее вершин.

Учет влияния акустических нагрузок, возникающих при работе авиадвигателя, которые необходимо учитывать при проектировании гермооболочек, предусматривает ограничения на низшую частоту собственных колебаний обшивки фюзеляжных панелей для избежания резонанса на этих частотах, а также ограничения на максимальные изгибные напряжения в обшивке, обусловленные пульсацией давления в выхлопной струе авиадвигателя во избежание развития преждевременных усталостных повреждений.

В третьей главе приводится метод решения задачи.

Метод, применяемый в данной работе, основан на преобразовании задачи (1) с ограничениями в форме неравенств (2) в ряд задач минимизации без ограничений новой функции, полученной из целевой с помощью внутренних штрафных (барьерных) функ-

ций. При этом н качестве барьерных выбирались логарифмические функции, для которых не только в конечном результате, но и н процесс»; оптимизации обеспечивается выполнение строгою неравенства. Таким образом, модифицированная целевая функция имеет вид:

j

Ф = М - AkE In fj(x) = min, (5)

где: М - масса конструкции, х = {х,}, (г = 1,...,/) - вектор варьируемых конструктивных параметров изделия, / = {/,}, (j = 1,..., J) - вектор ограничений, входящих в штрафную функцию, Ак - положительный числовой коэффициент.

Метод штрафных функций предполагает построение последовательности {Ль}, такой, что

Ак > О, Аш < Ак, lim Ак = 0. (6)

к—»оо

При этих условиях в процессе минимизации целевая функция Ф сходится к тому же самому минимальному значению, что и исходная целевая функция М. В настоящей работе последовательность чисел {Ак} выбиралась в виде геометрической прогрессии

= Ло/2*, (fc = 0,l,...,n). (7)

Параметры Ло и п выбирались такими, чтобы, с одной стороны, второе слагаемое уравнения (5) не слишком искажало направление градиента модифицированной целевой функции на начальных приближениях, а, с другой стороны, обеспечивалась бы удовлетворительная сходимость исходной целевой функции М.

Для минимизация модифицированной целевой функции без ограничений был разработан метод, в основе которого лежит метод покоординатного спуска. Для того, чтобы избежать недостатков, присущих данному методу, в данной работе были применены (на каждом шаге итераций) метод циклического перебора варьируемых параметров и метод коррекции шага варьирования для каждой переменной.

Отмечено, что коэффициенты уменьшения (сжатия) и увеличения (растяжения) шага переменных, выбранные на основе ме-

тода чисел Фибоначчи и равные

Кежат = 0.764, К,лт = 1.236, (8)

обеспечивают наилучшую сходимость решения задачи и наименьшее конечное значение массы изделия.

В конце главы дается краткая характеристика расчетной программы написанной на основе изложенного алгоритма.

В четвертой главе приводятся примеры применения разработанной программы к проектированию гермофюзеляжей самолетов Ил-96 ("большого" диаметра), Ту-204 ("среднего" диаметра) и самолета с фюзеляжем "малого" диаметра. Сравнение проводилось с вариантами конструкций Ил-96 и Ту-204, спроектированными в ОКБ по традиционной концепции, допускающей местную потерю устойчивости клеток обшивки при действии на фюзеляж расчетных нагрузок. В расчетной программе эта потеря устойчивости не допускалась, однако, несмотря на это, полученные после оптимизации варианты отсеков гермофюзеляжей оказались меньшими по массе, чем варианты, спроектированные в ОКБ: на 8,5%-12,5% для Ил-96, на 7,5%-Ю,2% для ТУ-204.

Приводятся графики основных характеристик и перечень общих конструктивных признаков оптимальных решений для оболочек большого, среднего и малого диаметров, которые удалось обнаружить на основе численных экспериментов (рис. 2-3).

В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе:

1. Разработан способ оптимального проектирования безопасно повреждающихся гермооболочек минимальной массы, который позволяет помимо традиционных требований (по статической прочности и устойчивости) учесть требования механики разрушения для всех типовых трещин, учесть ограничения на габариты, а также позволяет оптимизировать форму поперечного сечения гер-мооболочки и месторасположение стыков фюзеляжных панелей.

2. Разработана модификация метода нелинейного математического программирования для решения задачи оптимального проектирования безопасно повреждающихся гермооболочек, использующая свойства чисел Фибоначчи для варьирования проектных

Относительная площадь стршгеров(1) к относительная площадь шпангоутов) фюзеляжных панелей

[ - верхняя панель

---- боковая панель

— — нижняя панель

05

5"

Рис. 2.

Масса I ьгА Масса одного погон-

фюзелякнсл|-20с ного метра герло-

панелиЦ) . Фюзеляжа (2)

Г 1 1 * г ^

[кг! ! [кг, _. —'

1С 1

1&С

(з Диаметр гермофю-зеляка

% . у -вехняя панель

---боковая панель

АОС

С

т

ч

Рио.З.

—нижняя панель

Диаметр гермофюзеляжг

ы_____

параметров, у части которых отсутствует верхняя граница значений.

3. Разработанный алгоритм реализован в виде комплекса программ на языке ФОРТРАН-77 применительно к ЭВМ, в т. ч. к ПЭВМ. Результаты исследований, проведенных на основе данного комплекса, показали высокую эффективность метода и его экономичность в отношении затрат машинного времени. Это позволило получить численные решения для ряда сложных задач, выдвинутых практикой проектирования фюзеляжей самолетов Ил-96, Ту-204.

4. Разработан способ учета влияния двухосности напряжений на разрушающую способность сквозных продольных трещин в обшивке гермофюзеляжей, что позволяет использовать известные полуэмпирические формулы Г.И.Нестеренко (полученные без учета сжатия вдоль продольных трещин) на случай наличия этош сжатия.

5. На основе численных экспериментов с использованием разработанной программы и оптимизации реальных гермофюзеляжей большого, среднего и малого диаметров получены зависимости конструктивных параметров гермооболочек от их диаметра, что позволяет повысить эффективность совместной работы различных специалистов, участвующих в начальной стадии проектирования корпусов самолетов.

6. На основе численных экспериментов выявлены три общих конструктивных признака безопасно повреждающихся гермофюзеляжей минимальной массы большого, среднего и малого диаметров, спроектированных на случай действия наибольшего расчетного изгибающего момента, при котором не допускается местная потеря устойчивости клеток обшивки:

а) толщина обшивки верхней панели, определяемая требованием механики разрушения для типовой поперечной трещины, меньше, чем толщина обшивки нижней панели, определяемая в основном традиционными требованиями отсутствия потери устойчивости;

б) шаг стрингеров верхней панели больше, чем шаг стрингеров нижней панели;

в) гермооболочка без стопперов, удовлетворяющая всем оптими-

зационлым ограничениям, имеет меньшую массу по сравнению с массой гермооболочки, имеющей алюминиевые или титановые стоиперы типовых продольных трещин.

7. На основе численных экпериментов показано, что применение разработанной программы позволяет получить проекты фюзеляжных отсеков самолетов Ил-96 и Ту-204, в которых нет местной потери устойчивости при расчетных нагрузках, и которые имеют на 7%-12% меньшую массу по сравнению с вариантами отсеков, спроектированными в ОКБ на основе традиционной концепции, допускающей местную потерю устойчивости клеток обшивки при действии расчетных нагрузок.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Лагутин В.Г., Марков В.Г., Садовников А.Л. О квазихрупкой трещине нормального разрыва в двухосном поле напряжений. //Доклады Академии наук СССР, том 318, 1991, N 2, с. 307-310.

2. Лагутин В.Г., Марков В.Г. Оптимизация формы гермооболочки, размеров и месторасположения ее подкреплений. //Проблемы прочности, 1990, N 7, с. 102-107.

3. Лагутин В.Г., Ананьев А.И., Марков В.Г. Ограничение на на скорость роста усталостной трещины. //Проблемы прочности, 1993, N 10.

4. Лагутин В.Г., Марков В.Г. Оптимизация мест расположения и диаметров крепежа в стыковом узле максимальной статической прочности. //Ученые записки ЦАРИ, том 17, 1986, N 4, с. 98-103.

5. Лагутин В.Г., Марков В.Г., Садовников А.Л. Способ упрочнения сварного соединения в стык листовых конструкций, а.с. N 1767890, приоритет от 15.10.1990, зарегистрировано 08.06.1992 (выдача патента ВНИИГПЭ).

6. Бакулин В.IL, Лагутин В.Г., Марков В.Г. Оптимальное проектирование безопасно повреждающихся гермооболочек. Тезисы докладов научно-технической конференции "Полимерные материалы в народном хозяйстве". Сергиев Посад, М.-1993, с.78.

о. .. ИÖI-VÖ'-K".