автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.03, диссертация на тему:Расчетно-экспериментальное обеспечение проектирования и проведения копровых испытаний полозкового шасси вертолета

На правах рукописи

КОРОТКОВ ЛЕОНИД ВИТАЛЬЕВИЧ

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОВЕДЕНИЯ КОПРОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ПОЛОЗКОВОГО ШАССИ ВЕРТОЛЕТА

Специальность: 05.07.03 - прочность и тепловые режимы летательных аппаратов;

05.07.02 - проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов.

005008642

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2011

1 2 ЯНВ ¿012

005008642

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» (КНИТУ - КАИ) на кафедре Аэрогидродинамики.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Михайлов Сергей Анатольевич.

Научный консультант - кандидат технических наук

Неделько Дмитрий Валерьевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Костин Владимир Алексеевич; кандидат технических наук Куршин Владислав Николаевич.

Ведущая организация - ФГУП «Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского», г. Жуковский Московской области.

Защита состоится 6 февраля 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.05 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им А.Н. Туполева по адресу: 420111 Казань, ул. К. Маркса, д. 10 (факс: (843) 236-60-32; тел.: (843) 238-41-10; e-mail kai@kstu-kai.ru; сайт http://www.kai.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан ^ декабря 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Снигирёв В.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности посадки вертолета, оборудованного полозковым шасси, является составной частью работ по проектированию вертолета и требует привлечения значительных научно-технических ресурсов. Перед инженерами, занимающимися проектированием полозкового шасси, стоят следующие задачи:

- определение параметров полозкового' шасси исходя из ограничений, накладываемых на величины располагаемой работоемкости, деформаций и перегрузок, возникающих в процессе посадочного удара;

- подтверждение безопасности посадок копровыми сбросами согласно требованиям норм прочности (АП-29, РАН-29).

Полозковое шасси является уникальным агрегатом: особенности восприятия им нагрузок, возникающих в процессе посадочного удара, заключаются в наличии больших перемещений и пластических деформаций, а особенностью конструкции (по сравнению с колесным) является связь рессор посредством полозков. Эти особенности порождают проблемы, возникающие как на этапе определения параметров шасси, так и на этапе подтверждения безопасности посадок.

При определении параметров полозкового шасси инженеру необходимо иметь информацию об их взаимозависимости и о чувствительности проекта к изменению параметров. Такая информация на этапе проектирования может быть получена расчетом. Однако, ввиду особенностей агрегата, результаты расчетов, произведенных по математическим моделям посадки вертолета, основанным на грубых допущениях (например, о раздельной работе рессор), являются недостаточно достоверными. Конечно-элементные программные комплексы основаны на более точных допущениях, но ориентированы на решение общемашиностроительных задач и недостаточно хорошо приспособлены к задачам моделирования процесса посадки вертолета на полозковом шасси (например, довольно грубо аппроксимируется зависимость напряжений от деформаций, не учитывается изменение зависимости в процессе второго посадочного удара). Значительное компьютерное время, требующееся для проведения конечно-элементных расчетов процесса деформирования полозкового шасси при копровых сбросах, затрудняет проведение параметрического анализа, что сильно снижает возможности использования таких расчетов для принятия обоснованных конструкторских решений на ранних стадиях проектирования.

По сложившейся отечественной практике ведущих вертолетостроительных КБ в рамках подтверждения соответствия конструкции полозкового шасси требованиям п.п. 29.723, 29.725 и 29.727 АП-29 проводятся копровые сбросы

для воспроизведения вертикальной посадки и посадки с горизонтальной поступательной скоростью (посадки с пробегом).

Ввиду того, что полозковое шасси является цельной конструкцией, методы, используемые в самолетостроении для колесного шасси, и заключающиеся в определении нагрузки, воспринимаемой каждым колесом и последующим раздельным испытанием колес не подходят, более того, раздельное испытание рессор невозможно еще и ввиду того, что, как правило, полозковые шасси изготовляются из круглых металлических труб и рессора, отделенная от всей конструкции, уже является механизмом.

Наибольшую трудность вызывает проведение копровых сбросов для случая посадки с пробегом. Традиционно либо вертолет сбрасывается на канатах, отстреливаемых в момент касания посадочной площадки при помощи пиропатронов (подобный способ используется только в тех случаях, когда в энергопоглощающую систему включен принципиально новый агрегат), либо вертолет сбрасывается на наклонную плоскость.

Недостатками традиционных методик является дороговизна и длительное время, требующееся для подготовки к проведению испытаний, что может привести не только к экономическим трудностям, но и к снижению качества испытаний и качества дальнейшего проектирования: ввиду того, что для проведения сбросов по традиционным методикам требуются довольно значительные материальные и временные ресурсы, то такие сбросы проводятся довольно редко, что не позволяет удовлетворить основным требованиям к проведению эксперимента, заключающимся в его многократной воспроизводимости и стабильности побочных факторов и, соответственно, может привести к неправильной интерпретации результатов. Копровые испытания по традиционным методикам проводятся на завершающей стадии проектирования, целью их проведения является подтверждение безопасности посадок вертолета. Традиционные методики не являются инструментом исследования деформирования полозкового шасси в процессе посадочного удара, что является существенным недостатком.

По сравнению с традиционными способами проведения копровых испытаний наибольший интерес ■ вызывают имитационные способы, направленные на искусственное создание заранее заданных условий поглощения энергии посадочного удара для каждого конструктивного элемента полозкового шасси в наиболее критичном для него положении. Использование имитационных методик требует значительно меньших временных и материальных ресурсов, чем использование традиционных. Имитационные методики могут быть использованы не только для подтверждения безопасности посадок при заданных режимах эксплуатации, но и в качестве инструмента для получения новых знаний.

Примером такого имитационного способа проведения копровых испытаний служат проведенные копровые сертификационные испытания полозкового шасси вертолета АНСАТ, выполненные в ИЛ ПНКЛА КГТУ им. А.Н. Туполева в 2004 - 2009 г.г. по методике и программе испытаний, разработанной специалистами ОАО «КВЗ». Анализу результатов указанных

испытаний и построению адекватной расчетной модели их воспроизведения (в том числе с целью дальнейшего усовершенствования методики испытаний имитационного типа) посвящена настоящая диссертационная работа.

Ввиду уникальности такого агрегата, как полозковое шасси вертолета, представляется целесообразной разработка специализированной математической модели, учитывающей особенности агрегата и требующей незначительного времени для проведения расчета, а также разработка методики копровых сбросов на основе разработанной математической модели, требующей меньших материальных и временных ресурсов, чем традиционные. Работа направлена на интенсификацию проектирования, повышение его качества и на обеспечение одной из важнейших задач комплекса обеспечения безопасности авторотационной посадки вертолета, оборудованного трубчатым полозковым шасси, - задачи адекватного проведения копровых испытаний, и в этом заключается актуальность данной работы.

Цель работы. Развитие методов: определения напряженно-деформированного состояния трубчатого полозкового шасси вертолета в процессе копровых испытаний; проведения копровых испытаний трубчатого полозкового шасси вертолета; принятия обоснованных конструкторских решений на ранней стадии проектирования трубчатого полозкового шасси вертолета, в том числе по обоснованию выбора параметров испытательного стенда.

Развитие перечисленных методов ориентировано на обеспечение безопасности посадок вертолета при заданных режимах эксплуатации, интенсификацию проектирования и повышение его качества.

Задачи работы. 1. Разработка математической модели статического нагружения трубчатого металлического полозкового шасси вертолета на базе ранее полученных решений.

2. Разработка математической модели квазистатического нагружения (на основе разработанной модели статического нагружения) трубчатого полозкового шасси вертолета в процессе копровых испытаний.

3. Разработка методики определения основных параметров стенда, предназначенного для проведения сертификационных копровых испытаний трубчатого полозкового шасси вертолета для случаев посадки с горизонтальной скоростью, вертикальной посадки и удовлетворяющего требованиям норм прочности (АП-29).

4. Разработка концепции и принципиальной схемы стенда, предназначенного для проведения копровых испытаний трубчатого полозкового шасси вертолета для случаев посадки с горизонтальной скоростью, вертикальной посадки и удовлетворяющего требованиям норм прочности (АП-29).

Научная новизна. В диссертации предлагаются следующие новые методы и приводятся полученные новые результаты.

1. Математическая модель квазистатического нагружения трубчатого полозкового шасси вертолета в процессе копровых испытаний. В модели учитывается второй посадочный удар.

2. Обоснование необходимости учета пластического деформирования материала рессор полозкового шасси и возможности использования критериев пластичности, не зависящих от скорости деформирования в процессе копровых испытаний.

3. Способ учета пластического деформирования материала рессор в процессе копровых испытаний трубчатого полозкового шасси вертолета. Использование данного способа позволяет учесть асимметричный характер нагружения и разгрузки для материалов, имеющих зависимость напряжений от деформаций произвольного вида.

4. Методика определения основных параметров стенда, предназначенного для проведения сертификационных копровых испытаний трубчатого полозкового шасси вертолета для случаев посадки с пробегом, вертикальной посадки и удовлетворяющего требованиям норм прочности.

5. Концепция и принципиальная схема данного стенда.

6. Методика определения основных конструктивных параметров рессор полозкового шасси по условию поглощения заданной энергии посадочного удара.

Практическая ценность. Использование разработанной математической модели позволяет на ранних стадиях проектирования определять параметры трубчатого полозкового шасси, интенсифицировать процесс проектирования. Использование предлагаемого стенда и методики определения его основных параметров позволяет провести сертификационные копровые испытания с меньшими затратами материальных и временных ресурсов, чем при использовании традиционных методик и стендов, интенсифицировать проведение копровых испытаний трубчатого полозкового шасси.

Основные результаты диссертационной работы использованы при проектировании вертолета «АНСАТ», в том числе при проработке вариантов модификаций его полозкового шасси на этапе ОКР.

Достоверность результатов. Достоверность математической модели статического нагружения трубчатого полозкового шасси подтверждена: сравнением результатов расчета по данной модели с результатами расчета по МКЭ, полученными другим автором; анализом физического смысла результатов расчета.

Достоверность математической модели квазистатического нагружения трубчатого полозкового шасси подтверждена: сравнением результатов расчета с результатами эксперимента; постоянством величины полной энергии массово-инерционного макета вертолета в процесс копровых испытаний, полученной расчетом; анализом физического смысла результатов расчета.

Положения, выносимые на защиту. 1. Математическая модель квазистатического нагружения трубчатого полозкового шасси вертолета при копровых испытаниях.

2. Концепция и принципиальная схема стенда, предназначенного для проведения копровых испытаний полозкового шасси вертолета для случаев

посадки с поступательной скоростью, вертикальной посадки и удовлетворяющего требованиям АП-29.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развитии авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-07» (г. Казань, 2007), на 8-ом и 9-ом форумах Российского вертолетного общества (г. Москва), а также на международной молодежной научной конференции «XVI Туполевские чтения» (г. Казань, 2008 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 научные статьи в рецензируемом издании ВАК, а также 4 тезиса конференций.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и содержит 191 страницу машинописного текста, 6 таблиц, 140 рисунков. Библиография включает 91 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении изложена проблема, история ее развития, современное состояние, приводится краткий обзор литературы, посвященный данной проблеме, показана актуальность работы, рассматриваются основные методы, применяемые для ее решения.

В первой главе содержится обзор применяемых в настоящее время методов исследования динамического нагружения полозкового шасси в процессе посадки, методов имитации различных условий посадки копровыми сбросами, проводится их сравнительный анализ, рассматривается расчетно-экспериментальный метод.

Традиционными методами проведения копровых испытаний являются сброс на канатах и сброс на наклонную поверхность.

В настоящей диссертации предлагается методика проведения копровых испытаний согласно которой по сравнению с традиционными:

-требуется значительно меньше материальных и временных ресурсов; -возможно не только подтверждение требуемых параметров, но и определение их еще на начальной стадии проектирования.

Предлагаемая методика основана на эффекте разгрузки задней рессоры и догрузки передней при движении вертолета по грунту за счет момента от сил трения.

Данный эффект может быть получен при вертикальном копровом сбросе массово-инерционного макета вертолета (МИМВ) со смещенным по направлению полета центром тяжести. Для воспроизведения на стенде тяги несущего винта используется понятие эффективной массы. Величины

смещения центра тяжести макета и эффективной массы должны быть определены расчетом из условий равенства при посадке с пробегом и вертикальном копровом сбросе:

-максимальных величин работ, поглощаемых полозковым шасси; -максимальных величин усилий, воспринимаемых консолями задней и передней рессор.

Во второй главе разработана математическая модель статического нагружения полозкового шасси. Математическая модель адаптирована к конструктивным особенностям трубчатого полозкового шасси, имеющего принципиальные отличия от шасси с рессорами прямоугольного поперечного сечения —рис.1.

а

Рис. 1

(а - шасси с рессорами прямоугольного сечения, б- трубчатое шасси)

В качестве фундаментальной основы использована теория больших перемещений Кирхгофа-Клебша, разработанная для непрямолинейных до начала деформирования балок.

Для вычисления компонентов вектора кривизны могут быть использованы: а) физические соотношения Кирхгофа - Клебша в случае решения упругой задачи

* к -Ёл-. к (1)

где М(,Мп,М( -изгибающие моменты относительно соответствующих осей

местной системы координат; ф физические соотношения для учета условий пластического деформирования материала, устанавливающие связь между изгибающими моментами М(, Мп, М( и компонентами вектора кривизны и

основанные на гапотезе плоских сечений:

е = (2)

где к-кривизна изогнутой оси стержня, £ - линейные деформации (удлинения) и г — расстояние от нейтрального слоя сечения стержня до рассматриваемого волокна.

В матричной форме система определяющих уравнений для балки записывается в следующем виде

F(x,?) = 0, (3)

где х = {<р1,<р2,<р3>С„С2УС},С4,С5,С6} - вектор основных неизвестных; Р = |м, ¡2} - обобщенный параметр нагружения.

Для раскрытия статической неопределимости использован метод сил. Составлена расширенная система уравнений, состоящая из систем (3) для задней и передней рессор и дополненная десятью уравнениями совместности деформаций. Полозки принимаются либо абсолютно жесткими, либо деформирующимися согласно классической теории балок.

Расширенная система записывается следующим образом:

0;

= 0;

.,Х6,Х7..Л10,Р) =

где индексы I и II относятся к передней и задней рессорам соответственно. Расчетная схема изображена на рис.2.

Рх1 ъ РуИ Ь1

Рис.2. Расчетная схема для полозкового шасси

Система (4) позволяет определить напряженно-деформированное состояние полозкового шасси.

При исследовании пластического течения материала рессор изменением предела текучести в зависимости от скорости деформаций пренебрегаем ввиду малости. Для обоснования возможности пренебречь изменением предела текучести используется эмпирическая зависимость

У = аг •(! +--) = <гт-К,А = 1 + 0,1-(3 I, п = <

1,35-оу [2,0 при <ут>\ГПа

Согласно данной зависимости, при максимальных скоростях деформаций ¿ = 0,0709 с'1, полученных при копровых сбросах, и для материалов, из которых изготовляются трубчатые рессоры (высокопрочные стали: ат > 0,7 ПТа) увеличение предела текучести составляет 3-5%.

Для учета пластичности необходимо определить зависимость кривизны от изгибающего момента для произвольного сечения балки. Вначале рассмотрена плоская задача. Записано условие равновесия в следующем виде:

М=\<т{Е)-гс1Р=\а{к:)-2аР (5)

р ^ ■

где х - расстояние от нейтральной оси; к - кривизна сечения; е - линейные деформации.

Если известна зависимость а = /(<?) = /(&)> то из (5) можно найти зависимость момента от кривизны М = <?(£). Для определения данной зависимости используется численное интегрирование по методу Симпсона.

Вывод зависимости кривизны от крутящего момента производится аналогично.

Далее рассмотрен процесс пространственного деформирования рессоры. Расчетная схема для пространственного деформирования стержня изображена на рис.3.

Величина и направление результирующего изгибающего момента определены исходя из соотношений:

На этапе разгрузки учитывается то, что она происходит упруго. Эпюры остаточных напряжений определяются как разность эпюр суммарных напряжений и упругой разгрузки.

Результаты расчетов по предлагаемой модели сравнивались с результатами расчетов по МКЭ, полученными другим автором. Расчетная схема и результаты

сравнения приведены на рис.4 и рис.5.

Рис. 3. К расчету пространственного деформирования гибкого стержня

(6)

Вз/

(%хВЗ |РуВЗ

:аз

В* А

Л* х.

С^хВ4

РуВ4.'

0>\А>

Вг)

'С>хВ2 |р>в2

ви

«З*1» |РуВ1

Рис.4. Расчетная схема статического нагружения трубчатого полозкового шасси ,

вертолета

------г

О 0.2 0.4 0.6 0.8 ку, %

Рис.5. Вертикальные перемещения консолей рессор полозкового шасси

В третьей главе разработана методика квазистатического нагружения трубчатого полозкового шасси вертолета. Представлены и сравнены результаты, полученные по методике, с экспериментальными данными.

В общем виде движение вертолета описывается системой дифференциальных уравнений вида:

т{Ух+туУг-тгУу) = Рх+Сх, т{Уу + тгУх-т ,К) = Ру + <!у; т(У1+юхУу-со уГх) = Ъ+Сг;

(7)

где: О = {(5,, 6^,(3.} - вес вертолета, приложенный в точке центра масс; V = \Ух,Уу,У2\ - ускорение центра масс вертолета в связанной системе координат (в дальнейшем - ССК); а = ^>х,фу,а2\ - угловое ускорение относительно центра масс вертолета в ССК; V = ^х,Уу>Уг\- линейная скорость центра масс в ССК; со = ^¡)х,ау,со2} - угловая скорость вертолета в ССК; У = - моменты инерции вертолета в ССК; Т = \рх,ру,р1\ и

М = {МХ,.Л/У,М,} - главный вектор и главный момент всех внешних сил в ССК.

Используется аналог метода сил: реакции консолей определяются исходя из условий нахождения концов консолей на посадочной плоскости (в случае если касание произошло).

Численное интегрирование уравнений движения позволяет получить закон изменения по времени:

- реакций посадочной плоскости, действующих на консоли рессор;

- параметров пространственного движения вертолета.

Для проверки правильности модели результаты расчетов сравнивались с экспериментальными данными, полученными при копровых испытаниях. Результаты сравнения приведены на рис.6 - рис.10.

При анализе экспериментальных данных следует учесть, что после второго посадочного удара макет частично съезжал с тензоплатформ, опираясь хвостовой балкой на конструктивные элементы другого стенда. Экспериментальные записи после второго посадочного удара приведены только для полноты описания эксперимента.

Необходимость учета пластического деформирования материала рессор обоснована сравнением результатов расчетов с учетом и без учета пластического деформирования (рис. 11).

Рис.6. Усилие, воспринимаемое левой консолью задней рессоры в процессе копрового сброса МИМВ с предельно задней центровкой

Время, сек

Рис.7. Вертикальное перемещение консоли левой задней рессоры с предельно задней

центровкой

0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 Время, сек

Рис.8. Вертикальное перемещение консоли правой задней рессоры в процессе копрового сброса МИМВ с предельно задней центровкой

10

-Эксперимент

А— Расчет

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Время, сек

Рис.9. Вертикальная перегрузка в центре масс МИМВ со смещенной центровкой

-0.75

-Расчет ■ Эксперимент

2 Л о

и К

И

на «

и о И н О

-0.5

-0.25

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Время, сек

Рис.10. Деформации сечения консоли передней рессоры при сбросе МИМВ со смещенной центровкой

-Без учета пластичности

• С учетом пластичности

0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 Время, сек

Рис. И. Усилие, воспринимаемое левой консолью задней рессоры, в процессе копрового сброса МИМВ со смещенной центровкой

Максимальное различие по первому посадочному удару составляет 31%.

В четвертой главе разработана методика определения основных параметров стенда, предназначенного для проведения сертификационных копровых испытаний, сформулированы требования, предъявляемые к данному стенду, предложена его концепция и принципиальная схема.

Целью проведения сертификационных копровых испытаний является подтверждение способности полозкового шасси вертолета поглощать кинетическую энергию посадочного удара, не разрушаясь при заданных условиях эксплуатации.

Требования к стенду сертификационных копровых испытаний осно -ваны на:

- требованиях АП-29;

- анализе расчетных данных;

- методе имитации посадки копровым сбросом;

- общетехнических требованиях к проведению эксперимента.

Для проведения сертификационных копровых испытаний спроектирован стенд, состоящий из: МИМВ; устройства для подъема и сброса МИМВ; портала для крепления устройства для подъема и сброса МИМВ; горизонтальной посадочной платформы; акселерометров, установленных в центре тяжести, в районе передней и задней рессор; устройств, предназначенных для измерения перемещений консолей рессор относительно МИМВ и для измерения перемещения центра тяжести МИМВ относительно горизонтальной посадочной платформы.

Из анализа расчетных данных установлено, что опасным может быть второй посадочный удар. Отсюда следует, что на стенде должен имитироваться как первый удар, так и второй (и, соответственно, измеряться параметры).

Характеристики стенда не должны оказывать существенного влияния на процесс сброса. Влияние могут оказать те агрегаты конструкции стенда, которые обладают достаточной массой (и, соответственно, инерцией). Такими агрегатами обычно являются платформы силоизмерителей. Платформы силоизмерителей изображены на рис.12.

Рис.12

Данные платформы воспринимают посадочный удар и поэтому изготовляются из толстых стальных плит. Для того чтобы колебания платформы совместно с силоизмерителем не оказывали влияния на процесс сброса их собственная частота должна удовлетворять условию (8).

1

V»—;

Т

(8)

1

где 2], Т2 - моменты времени, на протяжении которых осуществляется контакт полозкового шасси с платформой (рис. 13);

V - собственная частота платформы совместно с силоизмерителем.

р [\ [) *

Т2

Рис.13. Зависимость усилий, воспринимаемых консолями рессор, от времени

Требования к стенду сертификационных копровых испытаний заключаются в следующем: обеспечить проведение сброса с возможностью второго посадочного удара; МИМВ должен быть оснащен системой балансировки грузов, позволяющих изменять как величину его массы, так и положение центра тяжести; МИМВ должен воспроизводить нижнюю поверхность фюзеляжа в зоне носовой части, центральной части и хвостовой балки (при необходимости); обеспечить возможность проведения сбросов в широком диапазоне высот, углов тангажа и крена; регистрируемыми параметрами должны быть усилия, воспринимаемые консолями рессор, перемещения, ускорения и деформации в характерных точках; собственная частота платформы с силоизмерителем и собственная частота фундамента должны удовлетворять условию (8); процесс копрового сброса должен

записываться на скоростную видеокамеру; конструкция стенда должна быть относительно простой и компактной.

Методика определения основных параметров (величин эффективной массы и смещения центра тяжести) стенда заключается в следующем. Посадка с поступательной скоростью имитируется вертикальной посадкой со смещенным центром тяжести (см. глава 1).

Производится расчет посадки вертолета. Центровка принимается:

- предельно передней для случая посадки с пробегом;

- предельно задней для случая вертикальной посадки.

Внешней нагрузкой является подъемная сила, приложенная в центре тяжести вертолета, направленная перпендикулярно посадочной поверхности, и равная весу вертолета. Коэффициент продольного трения при расчете посадки с пробегом принимается равным /, =0,5 согласно АП-29. Расчетом определяем максимальные усилия, воспринимаемые при посадке вертолета консолями задней и передней рессор и равные 0"3 и <2„' > соответственно.

Задаем значение массы МИМВ равное

т = т0 <тв,

где 7л0 и тг - масса МИМВ и вертолета, соответственно.

Коэффициент продольного трения полозкового шасси МИМВ равен /м=0 поскольку продольное движение (и, следовательно, продольные силы) отсутствуют.

Введем функции

где 2з(т,/) и Ог(т,1) - максимальные усилия, воспринимаемые при копровом

сбросе макета консолями задней и передней рессор соответственно; / - расстояние от оси, перпендикулярной плоскости горизонта и проходящей через центр масс МИМВ до оси ригеля задней рессоры.

Постановка задачи: необходимо определить аргументы от и / из условия

Система (10) решается итерационно.

Далее определяется величина поглощенной работы при посадке с поступательной скоростью и вертикальном копровом сбросе при вычисленных величинах эффективной массы и смещения центра тяжести. В случае равенства поглощенных работ основные параметры стенда определены. Если равенство не выполняется, то найденное решение принимаем в качестве первого приближения и уточняем значения искомых величин, исходя из условия равенства при посадке с поступательной скоростью и вертикальном сбросе:

р.Ы^Я-О.М,

(9)

Р3{т,1) = Рп(т,1) = 0

(10)

- максимальных величин поглощенных работ;

-максимальных величин усилий, воспринимаемых консолью расчетной рессоры.

Для случая посадки с пробегом расчетной рессорой является передняя, а для случая вертикальной посадки - задняя. Введем функцию разности работ, поглощенных при посадке и копровом сбросе:

А{т,1) = Апх{т,1)-Ас6р{т,1)

Составим систему уравнений:

Р(т,1) = 0

где Р{т,I) = Р„(т,1), если расчетным случаем является посадка с пробегом;

Р{т,1) = Р3(т,1), если расчетным случаем является вертикальная посадка.

Система (10) может быть решена методом Ньютона.

Для вычисления основных параметров стенда расчет копрового. сброса необходимо произвести несколько раз. Компьютерное время, затраченное на статический и квазистатический расчеты по разработанным моделям статического и квазистатического нагружений равны 40с и 564 с соответственно (использовался компьютер с двухъядерным процессором, тактовой частотой 2666МГц и оперативной памятью 2Гб). Для проведения статического расчета по МКЭ (модель содержала 2600 узлов, 2520 элементов, элементами являлись топологические прямоугольники без промежуточных узлов, использовался компьютер с двухъядерным процессором, тактовой частотой 3200МГц) потребовалось 742 с компьютерного времени, что в 18,6 раза больше, чем при использовании разработанной модели статического нагружения. Значительный выигрыш во времени получен за счет того, что была использована балочная модель. Расчеты по балочным моделям, основанные на допущении о раздельной работе рессор и отсутствии учета асимметрии нагружения и разгрузки сравнивались с экспериментальными данными: расхождение значительно, особенно на обратном ходе. Отсюда следует, что балочные модели, основанные на грубых допущениях, и конечно-элементные модели не подходят для решения задачи определения основных параметров стенда.

На основании исследования, проведенного в главе 4, можно сделать следующие выводы. Основные параметры стенда определяются проведением серии расчетов, ввиду чего требования к математической модели заключаются не только в правильности результатов, но и в малом времени расчета. Таким требованиям удовлетворяет разработанная в настоящей диссертации модель квазистатического нагружения полозкового шасси.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель статического нагружения трубчатого полозкового шасси вертолета на базе ранее полученных решений. Модель учитывает геометрическую нелинейность и наличие пластических деформаций.

2. Обоснована необходимость учета пластичности для численного моделирования копровых испытаний полозкового шасси вертолета и предложен способ учета пластических деформаций рессор полозкового шасси, основанный на деформационной теории пластичности. Способ позволяет учитывать асимметричный характер нагружения и разгрузки для материалов, имеющих диаграмму зависимости напряжений от деформаций произвольного вида. Обоснована возможность использования для численного моделирования копровых испытаний полозкового шасси вертолета критериев пластичности, не зависящих от скорости деформирования.

3. На основании модели статического нагружения трубчатого полозкового шасси разработана математическая модель квазистатического нагружения трубчатого полозкового шасси при копровых испытаниях. Использование данной модели позволяет определять напряженно-деформированное состояние полозкового шасси в процессе копровых испытаний с учетом второго посадочного удара.

4. На основании модели квазистатического нагружения разработана методика определения основных параметров стенда, предназначенного для проведения сертификационных копровых испытаний полозкового шасси вертолета для случаев посадки с горизонтальной скоростью, вертикальной посадки и удовлетворяющего требованиям норм прочности (АП-29). Предложена концепция и принципиальная схема данного стенда. Использование данного стенда и предлагаемой методики определения его основных параметров позволяет интенсифицировать проведение испытаний. Разработанная методика позволяет также выполнять выбор основных параметров рессор полозкового шасси на этапе его проектирования.

5. Разработаны алгоритмы, составлен и отлажен комплекс программ на языке программирования Borland С++, позволяющий производить численное моделирование копровых испытаний полозкового шасси вертолета для случаев вертикальной посадки и посадки с поступательной скоростью, определять параметры стенда для сертификационных копровых испытаний. Малое время, затрачиваемое на расчет, позволяет интенсифицировать процесс проектирования полозкового шасси вертолета.

6. Результаты проведенных исследований внедрены в конструкторском бюро ОАО «Казанский вертолетный завод».

Основное содержание и результаты диссертации опубликованы

в работах:

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Михайлов С.А., Короткое Л.В., НеделъкоД.В. Моделирование упругопластического деформирования рессор полозкового шасси вертолета // Изв. вузов Авиационная техника. 2010. №1. С. 8-12.

2. Михайлов СЛ., Короткое Л.В., Неделько Д.В. К расчету статического нагружения трубчатого полозкового шасси вертолета// Изв. вузов Авиационная техника. 2010. №4 С. 3-6.

3. Михайлов СЛ., Короткое Л.В., Алимов СЛ., Неделько Д.В. Моделирование посадки вертолета на полозковом шасси с учетом второго посадочного удара // Изв. вузов Авиационная техника. 2011. № 3. С. 13 - 16.

Другие публикации

4. Михайлов СЛ., Неделько Д.В., Короткое Л.В., Алимов СЛ. Разработка методики проведения копровых испытаний полозкового шасси вертолета // Материалы международной научно- технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-07». Казань. 2007. С. 35 - 39.

5 Михайлов СЛ., Короткое Л.В., Неделько Д.В. Расчетно-экспериментальный анализ результатов копровых испытаний полозкового шасси вертолета // Международная молодежная научная конференция «XVI ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ», сборник трудов конференции, Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2008, С.47.

6 Алимов СЛ., Короткое Л.В., Михайлов СЛ., Неделько Д.В. Расчетно-экспериментальное исследование статического и динамического нагружения конструкции полозкового шасси вертолета с учетом пластических деформаций. // Сб. трудов 8-го форума Российского вертолетного общества. М. 2008. С. И-32 - И-49.

7 Михайлов СЛ., Алимов СЛ., Короткое Л.В., Неделько Д.В. Исследование динамического нагружения рессор полозкового шасси вертолета с учетом пластических деформаций,// Сб. трудов 9-го форума Российского вертолетного общества. М. 2010. С. 1У-8У -1У-107.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,09. Тираж 100. Заказ 0166.

Типография Издательства Казанского государственного технического университета: 420111 Казань, К. Маркса, 10.

61 12-5/1564

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА

На правах рукописи КОРОТКОВ ЛЕОНИД ВИТАЛЬЕВИЧ

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОВЕДЕНИЯ КОПРОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ПОЛОЗКОВОГО ШАССИ ВЕРТОЛЕТА

05.07.03 - прочность и тепловые режимы летательных аппаратов 05.07.02 - проектирование, конструкция и производство летательных

аппаратов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор С.А.Михайлов Научный консультант: кандидат технических наук,

Д.В. Неделько

Казань - 2011

Содержание

стр.

Введение 5

ГЛАВА 1 Методы копровых испытаний вертолетов, оборудованных полозковыми шасси: современное состояние проблемы 15

1.1 Анализ процесса посадки вертолетов на критических режимах 15

1.2 Обзор методов копровых испытаний вертолетов, оборудованных полозковыми шасси 17

ГЛАВА 2 Математическая модель статического нагружения полозкового шасси 42

2 Л Уравнение деформаций упругой оси предварительно изогнутой

балки 42

2.2 Применение теории больших перемещений к расчету статически неопределимых балочных конструкций 46

2.2.1 Жесткая связь между рессорами 51

2.2.2 Упругая связь между рессорами 56

2.2.3 Вывод уравнений моментов по участкам рамы 59

2.3 Математическая модель статического нагружения полозкового шасси 63

2.4 Способ учета пластического деформирования рессор полозкового шасси вертолета 69

2.4.1 Особенности процессов пластического деформирования металлов 69

2.4.2 Обоснование возможности использования классических критериев пластичности 71

2.4.3 Обоснование возможности использования деформационной теории пластичности при расчете напряженно-

деформированного состояния рессор полозкового шасси 77

2.4.4 Вывод физических соотношений для поперечного сечения круглой пластически деформированной трубы рессоры полозкового шасси 84

2.5 Проверка достоверности математической модели пластически

деформированного полозкового шасси 99

ГЛАВА 3 Математическая модель квазистатического нагружения трубчатого полозкового шасси вертолета в процессе копровых 108

испытаний

3.1 Основные положения 108

3.2 Алгоритм расчета параметров пространственного движения вертолета в процессе квазистатического нагружения полозкового шасси 114

3.3 Проверка правильности модели квазистатического нагружения полозкового шасси вертолета 119

ГЛАВА 4 Методика определения основных параметров стенда сертификационных копровых испытаний с учетом особенностей деформирования полозкового шасси вертолета 148

4.1 Требования к стенду для сертификационных копровых

испытаний полозкового шасси вертолета 148

4.2 Методика определения основных параметров копрового стенда, предназначенного для проведения сертификационных копровых испытаний полозкового шасси вертолета 155

4.3 Сравнительный анализ результатов численного расчета параметров стенда, основанной на модели ТР08 и на модели квазистатического нагружения 166

4.4 Конструкция стенда для сертификационных копровых испытаний полозкового шасси вертолета ^ ^

5. Заключение 181

6. Список литературы 183

Введение

Обеспечение безопасности посадки вертолета, оборудованного полозковым шасси, является составной частью работ по проектированию вертолета. Перед инженерами, занимающимися проектированием полозкового шасси, стоят следующие задачи:

- определение параметров полозкового шасси исходя из ограничений, накладываемых на величины располагаемой работоемкости, деформаций и перегрузок, возникающих в процессе посадочного удара;

- подтверждение безопасности авторотационных посадок копровыми сбросами согласно требованиям норм прочности (АП.29, РАЯ.29).

Полозковое шасси является уникальным агрегатом: особенность восприятия им нагрузок, возникающих в процессе посадочного удара, заключается в наличии больших перемещений и пластических деформаций, а особенностью конструкции (по сравнению с колесным) является связь рессор посредством полозков. Эти особенности порождают проблемы, возникающие как на этапе определения параметров шасси, так и на этапе подтверждения безопасности посадок.

Критерием безопасности посадки является способность шасси поглощать при копровых сбросах требуемую работу, при этом должно отсутствовать касание грунта элементами конструкции, не являющимися посадочными устройствами, а инерционные перегрузки должны быть не выше заданных.

По сложившейся отечественной практике ведущих вертолетостроительных КБ в рамках подтверждения соответствия конструкции полозкового шасси требованиям п.п. 29.723, 29.725 и 29.727 АП.29 проводятся копровые сбросы для воспроизведения вертикальной посадки и посадки с горизонтальной поступательной скоростью (посадки с пробегом).

Проведение копровых сбросов для вертикальной посадки особых трудностей не вызывает, а для посадки с пробегом используются специальные методики. Рассмотрим эти методики.

Для колесного шасси, используя методы, принятые в самолетостроении [8], определяется нагрузка на каждое колесо и затем проводится раздельное испытание каждого колеса [9, 65].

Но полозковые шасси, в отличие от колесных, являются единой конструкцией, а кроме того, из практики мирового вертолетостроения известно [50], что большинство рессор изготавливаются из круглых металлических труб, вследствие чего отдельно взятая рессора является механизмом, и поэтому применить методы, принятые в самолетостроении, для проведения копрового сброса, имитирующего посадку с пробегом, для вертолета, оборудованного полозковым шасси, не представляется возможным.

Для имитации копровым сбросом посадки с пробегом вертолета, оборудованного полозковым шасси, традиционно либо вертолет сбрасывается на канатах, отстреливаемых в момент касания посадочной площадки при помощи пиропатронов [88] (подобный способ используется только в тех случаях, когда в энергопоглощающую систему включен принципиально новый агрегат, например, сотовые подушки), либо вертолет сбрасывается на наклонную поверхность [87]. Подробно эти методики будут рассмотрены в главе 1, а здесь только отметим, что наряду с неоспоримыми достоинствами, данные методики имеют и существенные недостатки, заключающиеся в дороговизне и длительном времени, требующемся для подготовки таких сбросов, что на практике не позволяет (или очень затрудняет) проведение большого количества таких сбросов.

Подтверждение безопасности посадки является только одной из целей проведения копровых сбросов, другой целью является получение информации, используемой конструктором в процессе проектирования.

Однако дороговизна и длительное время подготовки, требующееся для проведения копровых сбросов согласно традиционным методикам, затрудняют возможность оперативного вмешательства в процесс проектирования, а невозможность проведения значительного количества сбросов затрудняет устранение неправильных результатов, обусловленных сбоем в работе оборудования и человеческим фактором.

Одними из свойств идеального эксперимента является его многократная воспроизводимость и стабильность побочных факторов [79], и именно эти свойства трудно проверить для методики сброса на канатах и сбросах на наклонную плоскость. Такие сбросы обычно проводятся на завершающей стадии проектирования и имеют целью подтверждение безопасности посадки, а в следующий раз их проводят уже для другого вертолета и другого полозкового шасси (или для того же вертолета, но с глубокими модификациями) и не вся информация, полученная при сбросе старого вертолета, может быть применена при проектировании нового.

В настоящее время, в связи с развитием вычислительной техники, появляется возможность сопровождать подобные сбросы конечно-элементными расчетами [2, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91], что позволяет расширить область экстраполяции экспериментальных данных. Однако, по нашему мнению, вышеуказанные недостатки смягчаются, но остаются, в том числе связанные с алгоритмическими сложностями формирования конечно-элементной модели, адекватно воспроизводящей условия эксперимента.

Другой подход основан на имитации посадки с пробегом вертикальной посадкой (более подробно он будет рассмотрен в главе 1). В основу данного подхода положено то обстоятельство, что при движении вертолета, оборудованного полозковым шасси, по грунту вследствие трения рессор о грунт возникает момент, разгружающий заднюю рессору и догружающий переднюю.

Эффект догрузки передней рессоры и разгрузки задней может быть достигнут при вертикальном копровом сбросе со смещенным центром тяжести. Величина смещения центра тяжести определяется из условий равенства максимальной поглощенной работы и максимальных усилий на соответствующих консолях рессор при посадке с пробегом и копровом сбросе.

Максимальная поглощенная работа и максимальные усилия на консолях рессор принимаются за критерий идентичности посадки с пробегом и вертикального сброса в связи с тем, что согласно требованиям АП.29, копровыми испытаниями необходимо подтвердить инерционные перегрузки и работоемкость шасси. Требуемое смещение центра тяжести определяется расчетом. Способ имитации посадок вертикальным копровым сбросом является относительно недорогим, не требует длительного времени подготовки и поэтому лишен недостатков, присущих сбросу на канатах и сбросам на наклонную плоскость.

Данный способ был реализован при проведении сертификационных испытаний [53]. При определении параметров копрового сброса в данном случае был выполнен расчет по модели, разработанной А.Ю. Лиссом. Более подробно данная модель рассмотрена в работе [50]. Отметим, что в основу модели были положены довольно грубые допущения, которые, однако, были широко распространены вплоть до конца девяностых годов [50, 86], а именно: раздельная работа рессор, движение происходит только в плоскости симметрии вертолета, рассматривается только первый посадочный удар. Достоинством модели является ее простота, малое время, затрачиваемое на расчет и отсутствие больших требований к компьютерным ресурсам. Для расчета по данной модели необходимо иметь зависимость перемещений концов консолей рессор от усилий (в дальнейшем - диаграммы обжатия). Диаграммы обжатия были получены из статических испытаний рессор. Нагрузка прикладывалась к концам консолей ступенчато через 10 % от

максимальной, время выдержки нагрузки на каждой ступени было больше трех секунд (фактически, значительно больше). Однако диаграмма обжатия, определенная из статических испытаний, не соответствует истинной, поскольку когда материал подвержен пластическому течению и нагрузка прикладывается медленно, имеет место развитие ползучести и, как следствие - искажение диаграммы обжатия.

По нашему мнению, способ имитации посадок вертикальным копровым сбросом следует реализовать с помощью более совершенной математической модели. Такие модели начали разрабатываться относительно недавно (с конца девяностых годов прошлого века) и связано это с интенсивным развитием вычислительной техники. За рубежом начали создаваться конечно-элементные программные комплексы, моделирующие посадку вертолета, требующие больших компьютерных ресурсов и затрачивающих на расчет много времени [84, 87, 88, 89, 90], что делает нецелесообразным применение таких программных комплексов для подбора массы и координат центра тяжести при имитации посадки вертикальным копровым сбросом, поскольку требуется проведение довольно большого количества расчетов, а кроме того, в распоряжении проектировщиков может не оказаться быстродействующей вычислительной техники и лицензионных программных продуктов.

В России математическое моделирование процесса посадки вертолета, оборудованного полозковым шасси, развивалось по другому направлению, и хотя это направление изначально не было ориентировано на расчетно-экспериментальное обеспечение проектирования и проведения копровых испытаний, однако, по нашему мнению, данное направление более, чем конечно-элементное, подходит для проблемы определения параметров полозкового шасси в процессе проектирования и имитации копровых сбросов . Основоположниками направления являются В.А. Павлов, С.А. Михайлов и Д.В. Неделько. Особенностью данного направления является

моделирование полозкового шасси балочной моделью, а не оболочечной. В качестве фундаментальной основы принята теория больших перемещений Кирхгофа - Клебша [17, 28, 68, 78].

В работах В. А. Павлова, С. А. Михайлова и их учеников в восьмидесятых годах прошлого столетия теория больших перемещений была развита в геометрически нелинейную теорию пространственно деформируемых балок крыльевого профиля [16, 43, 44, 61, 62, 64]. Следует отметить, что в российском вертолетостроении проблема имитации посадки с пробегом вертолета, оборудованного полозковым шасси, находится еще только в стадии становления. Дело в том, что вплоть до начала девяностых годов прошлого века российские вертолеты проектировались согласно нормативному документу НЛГВ-2 (НЛГВ - нормы летной годности вертолетов), в котором для случая посадки с горизонтальной скоростью подтверждение располагаемой работоемкости копровыми сбросами не требовалось. Кроме того, проектировать вертолеты на полозковом шасси в России начали относительно недавно. Первым таким вертолетом был Ми-34, спроектированный в 1986 году (за рубежом первый вертолет на полозковом шасси был спроектирован в 1954 году). Впоследствии работы по проектированию вертолетов на полозковом шасси были свернуты и возобновлены только в конце девяностых годов прошлого столетия. Что касается вертолета Ми-34, то в 1986 году была предпринята попытка проведения копровых сбросов без применения какой-либо общей нормативной базы. Вероятно, вследствие всех этих причин теория больших перемещений не была развита для моделирования посадок еще в то время, но даже если бы данная проблема была бы актуальна и тогда, то из-за низкого быстродействия вычислительной техники восьмидесятых годов расчет занял бы очень много времени, что значительно снизило бы его практическую значимость.

И только относительно недавно, лет 10... 12 назад, когда в России начали проектировать вертолет, оборудованный полозковым шасси, и когда значительно увеличилось быстродействие вычислительной техники, в работах [40, 41, 42, 45, 50, 89] (авторы: С.А. Михайлов, Д.В. Неделько и др.) была создана математическая модель посадки вертолета на основе теории больших перемещений. В этих работах была показана возможность моделирования процесса посадки в пространственной постановке на основе балочной модели, что имеет принципиальное значение для решения проблемы имитации посадок вертикальными копровыми сбросами, т.к. при использовании балочной модели по сравнению с оболочечной имеет место существенный выигрыш во времени расчета.

Однако пространственная модель полозкового шасси в работе [50] была разработана только для рессор прямоугольного поперечного сечения, поскольку крепление рессор к силовым элементам фюзеляжа исключает поворот относительно собственной оси и значительно упрощает алгоритм построения модели. Как уже было отмечено выше, большинство рессор изготавливаются из круглых металлических труб, но в этом случае расчетная схема превращается в механизм. Кроме того, модель [50] имеет и другой существенный недостаток: при посадке вертолета на полозковом шасси пластические деформации допустимы, однако применение в данной модели алгоритма учета физической нелинейности не учитывает ассиметричный характер нагружения и разгрузки, т.е. задача решается в физически нелинейной постановке, в то время как ее следовало бы решать в постановке теории пластичности. В настоящей диссертации разработана модель посадки вертолета, оборудованного полозковым шасси на основе теории больших перемещений. Модель разработана для наиболее употребляемых металлических рессор круглого поперечного сечения, учитывает ассиметричный характер нагружения и разгрузки и рассматривает не только первый посадочный удар, но и второй (для упрощения модели второй удар

моделируется в физически линейной постановке, поскольку уровень деформаций конструкции при втором ударе сопоставим с деформациями, полученными при первом ударе). На основе данной модели возможно определять параметры полозкового шасси в процессе проектирования и обеспечивать проведение копровых испытаний полозкового шасси вертолета в соответствии с требованиями АП-29.

Целью диссертации является обеспечение безопасности выполнения авторотационной посадки вертолетов с полозковым типом шасси и повышения качества проектирования элементов шасси, и поэтому настоящая работа является актуальн