автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Прочность хвостовых отсеков лопасти несущего винта вертолета

, г С (^ДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ' ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

1 г дьн да -

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.Н.ТУПОЛЕВА

На правах рукописи

СУРОВЦЕВА ОЛЬГА ЕВГЕНЬЕВНА

УДК 629.735.45.015.4

ПРОЧНОСТЬ ХВОСТОВЫХ ОТСЕКОВ ЛОПАСТИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА

Специальность 05.07.03 Прочность летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЗАНЬ 1994

Работа выполнена на кафедре "Строительной механи летательных аппаратов" Казанского государственного техническо: университета им. А.Н.Туполева.

Научный руководитель: доктор технических нау]

заслуженный деятель нау] и техники ТССР, професс< В.А.Павл<

Официальные оппоненты: доктор технических нау!

профессор В.Г.Шата*

кандидат технических наз В.А.Огороде

Ведущее предприятие определено решением специализированно! совета.

Защита состоится #¿■¿2- 1994 года в

заседании специализированного совета К063.43.04 Казанског государственного технического университета им.А.Н.Туполе! (420111, г.Казань, ул.К.Маркса, Ю, зал заседашй).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " п 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

С.А.Михайлс

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию актуальной в настоящее мя проблемы - обеспечение безопасной эксплуатации лопасти ущего винта вертолета при условии практического отсутствия алостных разрушений в хвостовых отсеках.

Актуальность работы. Лопасть несущего винта является основным егатом вертолета, для которого устанавливается ресурс по овиям усталостной прочности. Другими словами, определяется мя эксплуатации лопасти из условия практического отсутствия алостных разрушений в ее элементах.

В настоящее время в лопастях несущих винтов широкое пространение нашла конструктивная. схема, представляющая собой турный лонжерон с прикрепленными к нему посредством клеевого цинения хвостовыми отсеками. В процессе эксплуатации лопастей ой конструкции было установлено, что задолго до истечения срока жбы лопасти в отсеках появляются трещины, которые приводят к грому их разрушению.

В этой связи актуальна задача исследования прочности зтовых отсеков с целью увеличения срока их службы.

Цель работа. Создание методики и пакета прикладных программ, воляющих определить напряженно-деформированное состояние явки хвостовых отсеков при совместном изгибе с лонжероном эсти и оценить влияние геометрических и физико-механических эметров элементов лопасти на уровень напряжений, действующих в гаке.

Научная новизна.

1. Предложена новая модель взаимодействия хвостовых отсеков с кероном лопасти.

2. Разработана методика расчета напряженно-деформированного рояния обшивки хвостовых отсеков лопасти при изгибе в плоскости наибольшей жесткости. Методика учитывает работу составной ;трукции в целом: изгиб лонжерона в плоскости взмаха и в жости вращения лопасти, податливость клеевого соединения и гг обшивки в своей плоскости.

3. Проведен расчет ресурса хвостовых отсеков лопасти по шм о напряженном состоянии и характеристикам усталостной шости. Предложена новая модель испытаний отсеков на ¡лостную прочность.

4. Разработана численная методика, позволяющая учес переменность параметров соединяемых элементов лопасти п исследовании напряженного состояния обшивки отсеков.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

- сравнением результатов расчета с данными летно эксперимента;

- использованием проверенных гипотез по расчетной схеме.

Практическая ценность работы состоит в разработке методики реализующем её пакете прикладных программ для исследован напряженного состояния обшивки хвостовых отсеков при изгибе плоскости ее наибольшей жесткости.

С помощью разработанной методики и пакета прикладных програ проведены исследования влияния параметров лонжерона, клеево соединения и обшивки отсека на распределение напряжений последней. Показана возможность снижения уровня опасных напряжен в отсеке лопасти, что повышает его усталостную прочность и т самым продлевает срок службы.

Разработанная методика и результаты расчетных исследован внедрены в КШП "Вертолеты МИ".

Публикации и апробация работы. Основное содержание рабо опубликовано в работах автора [1-4], ее результаты докладывали на научно-технической конференции по итогам работы за 1992-19 год "НИЧ - 50 лет" (г.Казань, 1994) и на Всероссийск научно-технической конференции '"Технологические пробле производства летательных аппаратов и двигателей" (г.Казань, 1994

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит введения, трех глав и заключения. Основная часть изложена 96 м.п.л. и 38 рисунках, содержит 4 таблицы и спис использованной литературы из 79 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирова тема исследования, показана ее научная новизна и практическ значимость. Дан краткий обзор литературы' по рассматриваемо вопросу, описана структура работы. •

В первой главе описывается объект исследования. Лопас несущего винта вертолета рассматривается как составн конструкция, элементами которой являются лонжерон и обшив

отсека, соединенные непрерывно посредством клеевой прослойки (рис.1). Эта составная конструкция постоянно испытывает вынужденные колебания в срединной плоскости и по нормали к ней, в результате чего в обшивке появляются нормальные напряжения о^.

Строится расчетная схема по определению напряженного состояния обшивки хвостовых отсеков при изгибе лопасти. В качестве исходной схемы принимается лонжерон как балка на упругом основании в предположении абсолютной жесткости обшивки отсека в своей плоскости. Сравнение результатов расчета по датой схеме с результатами летного эксперимента показывает, что напряжения различаются на два порядка. Это говорит о неправомерности принятого допущения.

На основании сделанного вывода за основу решения поставленной задачи берутся следующие основные предположения.

1. Обшивка изгибается в плоскости своей наибольшей жесткости.

2. Обшивка расположена под некоторым углом а к срединной плоскости лопасти.

3. Внешние нагрузки на лопасть, изгибающие моменты и воспринимаются лонжероном и передаются на обшивку хвостового отсека через клеевое соединение.

4. Перемещения клеевого соединения в каждой точке пропорциональны действующим реакциям.

5. При расчетах на прочность авиационных конструкций большого удлинения считается, что основные перемещения определяются изгибом, а добавки от влияния перерезывающих сил незначительны. Обшивка хвостового отсека в своей плоскости может быть представлена как короткая балка, в этом случае учет сдвига в обшивке необходим.

В качестве исходного уравнения записывается полный прогиб линии центров тяжести сечений обшивки:

£= £°- Л£ - £с, (1)

где 5°, А£, £с - прогибы обшивки вследствие прогиба лонжерона, податливости клеевого соединения и сдвига в обшивке. На основании уравнений равновесия элемента обшивки хвостового отсека лопасти, а также соотношений Кирхгофа-Клебша

' М° н2„0 М° л2г0 М

ах у Ч у х и § т' (2)

<122 ' . Е°Л° ' EJ

у X Г)

условие совместности (1) приводится к уравнению с одной неизвестной £.

В соответствии с принятыми допущениями прогиб обшивки

вследствие податливости клеевого соединения записывается в виде:

*кл й4?

бкл

= -Е(1 -_ (3)

й т ^ бг4

где зе = - - податливость клеевого соединения. Кривизна

НА К

лонжерона в плоскости £С записывается через кривизны в плоскостях ха и уг и угол а:

(1 С V .я

сова--тг-— е1ш. (4)

ей2

у X

Относительный сдвиг в обшивке в плоскости ее наибольшей жесткости определяется выражением

(5)

(12

ОбШ£ ОбШ

В итоге условие совместности принимает вид линейного неоднородного дифференциального уравнения:

й2б б24 02г

= Б (6)

при

а = -EJ ; Ь =

1 Л Л 1 л

НКЛ _ -Общ I ОбШ

К М®

0 = "¿Г - - ¿грг

у X

Это уравнение имеет решение

йге

= С,еП2 + + С.епг + + Б, (7)

где

'Ь-/ Ь2-4а

п =

2а

Для нахождения коэффициентов С( в выражении (7) записываются граничные условия по краям хвостового отсека:

V -¿¿Г ■ 0 ( й=0-

в?'

В итоге определяются усилия Н£, действующие в плоскости збшивки:

Н,= ЕЛ"

I2

<12е

(8)

« ч йг2

I нормальные напряжения в обшивке отсека о£:

°г —• <9)

общ

На рис.2 приведена иллюстрация примера расчета напряженного ¡остояния обшивки отсека по предложенной методике. Сравнение юзультатов расчета с данными летного эксперимента говорит ) правомерности гипотез, положенных в основу расчета.

Во второй главе проводится анализ напряженного состояния вшивки хвостовых отсеков с точки зрения усталостной прочности и 1азрабатывается модель усталостного разрушения отсеков лопасти в :олете.

Проведенные расчеты позволяют сделать вывод о том, что ричиной усталостного разрушения отсеков является действие ормалышх напряжений о£ в плоскости обшивки. Возникающие при этом ;ёформашш сдвига в обшивке наиболее опасны в сечениях, где еререзывающая сила принимает свое максимальное значение. Эта зона является зоной появления усталостных трещин в летном ксперименте хвостовых отсеков (рис.3).

В этой главе также рассматривается усталостная прочность леевого соединения на сдвиг как одного из элементов составной онструкции, передающего усилия с лонжерона на обшивку отсека, о уже существующей методике определяются касательные напряжения двига в клее. В результате сравнения \ с допустимым пределом

тах

сталостной прочности клея на сдвиг делается вывод о том, что на рейсерском режиме полета вертолета (наиболее продолжительном из сех режимов) клеевое соединение выполняет свои функции, по всей лине хвостового отсека, не разрушаясь и имея запас по усталостной рочности.

С целью выявления потенциальных возможностей хвостовых гсеков лопасти при воздействии знакопеременных нагрузок, а также целью оценки эффективности мероприятий по повышению усталостной рочности отсеков проводится расчет их ресурса. Начальный ресурс,

устанавливаемый на основе результатов летных и лаборатор испытаний, вычисляется по формуле

о.

ТП1П

и =

исп

аэкв

60ПК6Т1

где 60пнб - частота циклов нагрузки отсеков в час; г) - коэффициент запаса;

- минимальное число циклов до разрушения отсеков; рисп - амплитуда, переменных напряжений в обшивке отсеков ] испытаниях на усталостную прочность; '•' ' одкб - средне эквивалентная амплитуда переменных напряжени}

обшивке отсеков в полете. В данной главе рассматриваются все величины, входящие в форм; (10,), их смысл и способы определения в соответствии :стандартными методиками. *

Дается анализ методики испытаний натурных образцов лопасти усталостную прочность, в частности' по характеру нагруже! хвостовых отсеков. Отмечается, что основной нагрузкой на отсек I стендовых испытаниях является знакопеременная инерционная сила Возникающие при этом напряжения в обшивке (рис.4) приводят отрыву отсеков от лонжерона, что не соответствует реальной карта усталостных разрушений отсеков лопасти в полете. Условием объективной оценки усталостной прочности конструкции являет воспроизведение на стенде не только величины, но и характе основного нагружения. Из всего сказанного делается вывод необходимости пересмотра методики испытаний для получе* характеристик усталостной прочности хвостовых отсеков лопасти.

В третьей главе представлены результаты параметричест исследований по оценке влияния геометрических физико-механических параметров соединяемых и соединительне элементов лопасти на напряженное состояние обшивки хвосто! отсеков. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что снижению уровня напряжений в обшивке, опасных с точки зре* усталостной прочности, приводят следующие изменения параметров:

- уменьшение жесткости обшивки отсека;

- уменьшение длины отсека по размаху лопасти;

- уменьшение модуля сдвига клеевого соединения;

- уменьшение ширины клеевого соединения;

- увеличение толщины клея.

Выполнение указанных рекомендаций в итоге позволяет увеличь

время эксплуатации хвостовых отсеков до появления в них усталостных разрушений.

В этой же главе предлагается численное решение задачи определения напряженно-деформированного состояния обшивки отсеков с применением аппарата интегрирующих матриц М.Б.Вахитова. На основе его рассматривается модель разрушения обшивки хвостовых отсеков лопасти при наличии усталостных разрушений в клеевой прослойке (рис.5). В этом случае снижение уровня концентрации напряжений достигается путем применения клеевых прослоек с переменной . толщиной и клеев с различными модулями сдвига по длине соединения. Тем самым создается повышенная местная пластичность соединения на сдвиг, увеличивается возможность взаимного смещения сочлененных элементов лопасти и в результате снижается уровень опасных напряжений в обшивке отсека.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена новая модель взаимодействия хвостовых отсеков с лонжероном лопасти и схема их испытаний на усталостную прочность.

2. Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния обшивки хвостовых отсеков лопасти при изгибе ее в плоскости наибольшей жесткости. Результаты расчета соответствуют данным летного эксперимента, что говорит о достоверности метода.

3. Напряженное состояние обшивки, полученное по предложенной методике, определяет зону разрушения отсеков в полете, что не наблюдается при стендовом эксперименте.

4. Начальный ресурс хвостовых отсеков лопасти, определенный по предлагаемой схеме, соответствует реальному сроку службы отсеков.

5. Проведены теоретические исследования по оценке влияния геометрических и физико-механических параметров элементов лопасти на напряженное состояние обшивки хвостовых отсеков. Выработаны рекомендации по повышению усталостной прочности отсеков.

6. Результаты исследований внедрены в КНПП "Вертолеты МИ".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Павлов В.А., Суровцева O.E. О концентрации напряжений в

хвостовых отсеках лопасти несущего винта вертолета.- Казань, 1992 - Рукопись деп. в ВИНИТИ, * 2641-В93.

2. Павлов В.А., Костин В.А., Суровцева O.E. К вопросу напряженно-деформированном состоянии хвостовых отсеков лопасти. В кн.: Тезисы докладов научно-технической конференции по итога работы за 1992 - 1993 год "НИЧ - 50 лет", Казань, КП им.А.Н.Туполева, 1994 г.

3. Павлов В.А., Суровцева O.E. О технологии проведени лабораторных испытаний образцов лопасти вертолета. - В кн.: Тезис докладов Всероссийской научно-технической конференци "Технологические проблемы производства летательных аппаратов двигателей", Казань, КГТУ им.А.Н.Туполева, 1994 г.

4. Павлов В.А., Суровцева O.E. Напряженно-деформированно состояние хвостовых отсеков лопасти вертолета. - Рукопис отправлена на депонирование.

1. Конструктивная схема лопасти <т( (МПа)

100

80-

60-

40

20-

1 1

\

\

Л /

0 0.) 0. 0 0. 5 о.: о о.; 5 0.^ 6.....0.''

г 3

г(м)

Переменные напряжения в обшивке отсека: * - теоретические напряжения, о - экспериментальные напряжения

200

0{(Н/м)

-200

-400

Рис.3. Зона усталостных разрушений в обшивке, отсеков при изгис обшивки в плоскости наибольшей жесткости

25-

о> (МПа)

20-

15-

10

О | И I I I I I Ч | I I I 11 II I I

0.00 0.05 0.

I I 11 11 I III 11 11 I I м I I 11 11 I 111 II II 11 11 I • I Н • I I М М II I I

О 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

* Л

-ф-

2(М)

Рис.4. Переменные напряжения в обшивке отсеков при стендов! испытаниях образцов лопасти

Рис.5. Зона усталостных разрушений в обшивке при разрушении клеевого соединения по краям отсека