автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Разработка методики выбора рациональной схемы силовых шпангоутов фюзеляжа истребителя интегральной компоновки

На правах рукописи УДК 629.735.33.01.

005009754

Дмитрий Владимирович Столяров

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОМ СХЕМЫ ШПАНГОУТОВ ФЮЗЕЛЯЖА ИСТРЕБИТЕЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ КОМПОНОВКИ

Специальности:

05.07.02 - «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов» .

• 05.07.03 - «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

' 1 с о е в ті

Москва 2011

005009754

Работа выполнена в «Московском Авиационном Институте (национальном исследовательском университете)»

Научный руководитель: - кандидат технических наук

Попов Юрий Иванович

Научный консультант:

- доктор технических наук Погосян Михаил Асланович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук Фирсанов Валерий Васильевич

- кандидат технических наук Бирюк Виктор Илларионович

Ведущая организация:

ОАО «Российская самолетостроительная корпорация «МиГ» (ОАО «РСК «МиГ»)

Защита состоится " 22 11 февраля 2012 г. в 10.00 часов на заседани Диссертационного совета Д 212.125.10 «Московского авиационного институте (Национального Исследовательского Университета)» по адресу: 125993, Москва Волоколамское шоссе, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке «Московског авиационного института (Национального Исследовательского Университета)».

Автореферат разослан "20" января 2012 г.

Ученый секретарь,

Диссертационного Сй Профессор, к.т.н. / ^Комаров

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Интегральная компоновка самолета является наиболее характерной для перспективных истребителей. Она наиболее оптимальна и отвечает требованиям по маневренности, боевой живучести, размещению оружия и топлива внутри фюзеляжа.

Разработка перспективного истребителя (ПИ) интегральной компоновки обозначила ряд проблем, возникающих при проектировании подобных самолетов. Появление этих проблем связано с особенностями проектируемого истребителя. Особенно сильно эти особенности повлияли на проектирование агрегатов планера. Для решения этих проблем были привлечены современные средства компьютерного моделирования и расчета на прочность, Однако создание моделей и последующий расчет их методом, конечного элемента оказались достаточно трудоемкими задачами из-за многообразия силовых элементов и КСС.

Наиболее сложным агрегатом ПИ интегральной компоновки является хвостовая часть фюзеляжа, где размещаются агрегаты оперения и силовой установки, как правило, с двумя разнесенными от оси симметрии самолета двигателями. Конструкция хвостовой части фюзеляжа истребителя интегральной компоновки ввиду своей необычной формы больше приближена к конструкции крыла. Продольными силовыми элементами в таком фюзеляже являются стенки, которые делят фюзеляж на продольные отсеки. Поперечными силовыми элементами в фюзеляже являются силовые шпангоуты, сложные по конструкции, схеме и форме. Ошибка при проектировании силовых шпангоутов сильно сказывается на весовом совершенстве фюзеляжа и самолета в целом, так как фюзеляж перспективного истребителя обладает большим числом узлов навески агрегатов крыла, оперения и силовой установки. Из этого следует большая массовая доля силовых шпангоутов в конструкции фюзеляжа.

Проектирование фюзеляжа интегральной компоновки во многом связано с выбором конструктивной схемы силового шпангоута, что является основной проблемой и наиболее актуальной задачей.

Целыо работы является создание методики выбора рациональной конструктивной схемы шпангоутов в хвостовой части фюзеляжа истребителя интегральной компоновки на начальных этапах проектирования, основанной на сравнении весовой эффективности этих схем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основе статистического анализа разработана классификация схем и формы силовых шпангоутов фюзеляжа самолета интегральной компоновки;

- определены безразмерные параметры формы и установлено их влияние на распределение нагрузки в конструкции шпангоута;

- предложен показатель весовой эффективности конструкции силовых шпангоутов на основе понятия удельной массы, применявшийся ранее для анализа целых агрегатов;

- исследование статистики силовых шпангоутов позволило сделать вывод об уровне их весового совершенства;

- установлен характер влияния геометрических параметров на удельную массу;

- проведен численный эксперимент для корректировки аналитических зависимостей с помощью моделей МКЭ;

- разработан алгоритм методики выбора схемы силовых шпангоутов.

Практическая ценность диссертации состоит в методике выбора рациональной схемы силового шпангоута, основанной на статистических и расчетных зависимостях, которая значительно снижает трудоемкость проектирования на начальных этапах. Эту методику могут применять подразделения каркаса и общего проектирования.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается дублированием данных, полученных различными способами: из статистики с натурных образцов авиационной техники; аналитическим способом; с помощью численного эксперимента по МКЭ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во. введении проведено обоснование актуальности, конкретизированы объект и область исследования.

В первой главе содержится постановка задач диссертации с предварительным анализом конструкции фюзеляжа современных истребителей и проблем проектирования силовых шпангоутов.

Показаны специфические особенности формы поперечного сечения фюзеляжа интегральной компоновки, обусловленные требованиями аэродинамики. Характерной особенностью силовой схемы фюзеляжа истребителя интегральной компоновки является наличие продольных отсеков кессонного типа. Эти продольные кессонные отсеки являются силовой базой для присоединения к ним агрегатов планера и силовой установки (рис. 1).

Наиболее сложной является конструкция хвостовой части фюзеляжа (ХЧФ) истребителя интегральной компоновки. Взаиморасположение продольных отсеков и силовых шпангоутов в ХЧФ показано на рис 2. .

стенки

Рис.2. Хвостовая часть фюзеляжа перспективного истребителя интегральной компоновки

Проведен конструктивный анализ ХЧФ истребителей С-37,Су-27 и МиГ-29. С точки зрения конструктивного исполнения самыми сложными силовыми элементами в конструкции ХЧФ являются силовые шпангоуты разные по схеме и форме (рис.З). Сложность шпангоутов обусловлена следующими особенностями ХЧФ интегральной компоновки:

1) ХЧФ - плоский и широкий агрегат.

2) Внутренняя компоновка делит ХЧФ на продольные отсеки. .

3) Количество продольных отсеков определяется компоновкой двигателей.

4) ХЧФ - наиболее нагруженная часть фюзеляжа.

5) ХЧф имеет частый поперечный силовой набор из шпангоутов различной формы и конструктивной схемы.

С-37 П\/1иГ29

и оопекк ттаи-.о -©-Ртссф^го -ао- ТТХ7

Хтои-овта: жм -0-2гтсо$€го ■‘-с 04 КУХУ

- ихс;аиш: тгои-иЭ скт-о>мо

- Конструктивная часть шпангоута

Рис.З. Силовые и конструктивные части шпангоутов хвостовой и средней части фюзеляжа

Введено понятие конструктивной схемы шпангоута, которая характеризуется расположением и формой силовых частей шпангоута. Членение шпангоута на силовые части условно и разделяет его на зоны по принадлежности к продольным отсекам (рис. 4).

Силовые части шпангоута могут представлять собой балки, арки, кольца. Балки характерны прямой нейтральной линией поперечных сечений. Арки характерны изогнутой незамкнутой нейтральной линией поперечных сечений. Кольца характеризуются замкнутой нейтральной линией поперечных сечений преимущественно круглой или овальной формы.

Выявлены две конструктивные схемы силовых полноразмерных шпангоутов, часто используемых в фюзеляже самолета интегральной компоновки (рис. 5):

Рис.5. Конструктивные схемы силового шпангоута

Выбор конструктивной схемы шпангоута во многом зависит от формы поперечного сечения фюзеляжа. Выявлены признаки, по которым сечения фюзеляжей этих самолетов отличаются. Признаки эти неразрывно связаны с введенными понятиями балочных и мотогон дольных частей.

Проведена классификация поперечных сечений и схем шпангоутов фюзеляжа современного истребителя (рис.б):

- по взаиморасположению двигателей в ХЧФ: пакетное расположение двигателей, разнесенное расположение двигателей;

- по взаиморасположению балочной и мотогондольной частей: высокоплан, среднеплан, низкоплан;

- по схеме мотогондольной части: с кольцевой рамой в мотоотсеке, с арочной балкой в мотоотсеке, без мотогондольной части (неполноразмерный шпангоут).

Проблемами проектирования, расчета на прочность конструкции агрегатов планера истребителей занимались специалисты конструкторских бюро Микояна и Сухого: Баранов

Н.И., Пришлецов Е.А., Брянцев С.Ф., Коган Ю.А., а так же ЦАГИ. Множество работ, посвященных проблеме выбора рациональной КСС, были проведены сотрудниками ЦАГИ, а именно В. И. Бирюком, Е. К. Липиным и В. М. Фроловым.

В работах В. И. Бирюка рассмотрены вопросы оптимизации конструкции, рационального распределения материала и выбора КСС агрегата на начальных этапах проектирования. Для решения этих задач применялись методы, базирующиеся как на аналитических зависимостях (использующие проектировочные расчеты), так и на

статистических данных. Кроме этого, широко применялся анализ натурных экспериментальных отсеков, конструктивно подобных исследуемым агрегатам.

Мвухдвивательнай у— истребитель /

Возможные варианта бзаимаросположения двигателей Ь хвостовой части (рюзевпжа

Пакетное расположение д&игатслой

Разнесенное расположение двигателей

возможное варианта взаиморасположения балочной L мотогондолноО чостей б сечении рюэеляжа

Возможные варианта силовой схема шпангоута

Полноразмерной с кольцом в мотооотсеке

Полноразмерной с арочной балкой 0 мотооотсеке

Неполноразмернай

Полноразмерной с кольцом б мотооотсеке

чх>

іеполноразмерной

ч>о

Полноразмерной с кольцом в 'мотооотсеке

-О-О-

Полноразмерной с арочной балкой в мотооотсеке

Неполноразмернай

Рис. 6. Классификация форм поперечного сечения и схем силовых шпангоутов, вписанных в эти сечения .

Заметим, что процесс оптимизации существенно отличается от выбора рациональной схемы силового элемента. Этот процесс конструктор совершает каждый раз заново для нового агрегата или силового элемент. Агрегат или элемент новым делают два принципиальных момента: внешняя форма и условия заделки.

Завершается первая глава формулировкой основных задач, необходимых для достижения поставленной цели:

- определить параметры формы силовых шпангоутов и провести анализ распределения нагрузок в частях шпангоута в зависимости от параметров формы;

- определить схему заделки полноразмерных силовых шпангоутов и вывести зависимость распределения нагрузки между элементами силового шпангоута и контуром

продольного

отсека;

- провести численный эксперимент по анализу НДС экспериментального отсека ХЧФ;

>

- выбрать показатель весового совершенства конструкции силового шпангоута и определить зависимость этого показателя от параметров формы;

— разработать алгоритм методики выбора рациональной конструктивной схемы

шпангоута, базирующейся на аналитических и статистических зависимостях показателя весового совершенства конструкции. .

Во второй главе рассмотрены характеристики и свойства схем и формы силовых шпангоутов фюзеляжа истребителя интегральной компоновки.

При проектировании конструкции силовых шпангоутов конструктору выделяется определенная зона конструирования. Эта зона ограничена теоретическим контуром поперечного сечения фюзеляжа и агрегатами, которые размещены внутри отсеков фюзеляжа. В хвостовой части фюзеляжа таким агрегатом является двигатель, а в средней части фюзеляжа -каналы воздухозаборника. Будем называть эту зону областью существования силового шпангоута. Конструктор может использовать как всю отведенную ему область, так и ее часть. На рис.7 заштрихованная зона соответствует области существования, использованной для размещения в ней силовой конструкции шпангоута.

Область существования обладает геометрическими параметрами, которые описывают его форму: длина шпангоута L,, равная ширине фюзеляжа, средняя строительная высота Нср, радиус круглого выреза Л, эксцентриситет е - специфический параметр формы интегрального фюзеляжа, который показывает вынос балочной части за ось круглого выреза.

Введены безразмерные параметры формы: удлинение Я — ЫНСР— параметр, который показывает насколько ширина фюзеляжа больше средней строительной высоты балочной части

полноразмерного шпангоута любой схемы; относительный эксцентриситет ё = е/Я-отношение абсолютного эксцентриситета к радиусу круглого выреза.

Зависимость относительных параметров формы силовых шпангоутов названа матрицей форм поперечных сечений шпангоутов. На рис.8 показана эта зависимость, построенная по статистическим данным. По шкале относительного эксцентриситета форма шпангоутов разделена на три группы: среднеплан при г = 0 - 0,3; высокоплан (низкоплана) при ё = 0,7 -1,5 ; переходная зона (зона неоднозначности формы). По шкале удлинения форма

Рис. 8. Матрица форм поперечных сечений фюзеляжа

Далее рассмотрены схемы опорных реакций (заделки) силовых шпангоутов (рис. 9). I Нагрузка на силовой шпангоут приходит с узлов, расположенных по бортам фюзеляжа. В общем случае спектр нагрузок состоит из сосредоточенного изгибающего момента Мизг и перерезывающей силы ().

Силовая схема интегрального фюзеляжа получает новый силовой элемент - стенки продольных кессонов, которые являются опорами для силовых шпангоу тов

Введение нескольких таких стенок в силовую схему фюзеляжа существенно осложняет определение реакций шпангоута, так как получается статически неопределимая многоопорная система на упругом основании

Кроме заделки по схеме балки на четырех опорах необходимо отметить влияние контуров отсеков на заделку силового шпангоута. Компоновкой фюзеляж разделен на пять отсеков: два боковых отсека, два мотоотсека и средний отсек. Для всех конструктивных схем наиболее общим случаем включения в заделку контура отсека является случай включения в работу отсека боковых балок.

Определены частные задачи, которые рассмотрены далее в этом разделе:

- влияние параметров формы на распределение нагрузки в кольце и арочной балке шпангоута;

- влияние заделки шпангоута в контуре боковых отсеков на распределение нагрузки.

Типовая эпюра распределения изгибающего момента в кольцевой части шпангоута

представлена на рис. 10,а. Максимальный изгибающий момент в зоне сопряжения балочной и мотогондольной частей составляет 0,5 от момента в балочной части. Это максимальное значение изгибающего момента изменяется по мере увеличения строительной высоты НС1ЫКА

балочной части шпангоута (рис. 10,6) и зависит от соотношения —СШ1<А. ^ Где р . диаметр нейтральной линии кольца шпангоута.

а

б

Рис. 10. Изменение эпюры изгибающих моментов в зоне сопряжения балочной и мотогондольной частей .

Разработана формула, которая позволяет определить максимальный изгибающий момент

в сечении кольца: А/„„ = 0,5 х М х [ 1 —^стыка ]

1, 0,86х£>;

Основным элементом, определяющим конструктивную схему шпангоута, является мотогондольная часть. Поэтому определено влияние относительного эксцентриситета на распределение нагрузки в кольцевой части шпангоута (рис. 11).

Рис.11. Конструкция и эксцентриситет кольцевой части полноразмерного шпангоута

При смещении нейтральной оси балочной части шпангоута относительно центра кольца к верхнему своду соотношение загрузки верхнего и нижнего свода кольца меняется (рис. 12).

Рис. 12. Изменение эпюры изгибающих моментов в кольце шпангоута в зависимости от смещения балочной части

Построены графики изменения загрузки сводов кольца (рис. 13).

Сравнительны# диаграммы мгруэки

[~*~ Никжй свод Версий свод |

^ .

" •• / -

/>

// ■

>

б 0

относительный жсцентриситшт

Рис. 13. Диаграммы загрузки изгибающим моментом сводов кольца шпангоута в

зависимости от эксцентриситета '

Рассмотрено распределение изгибающего момента в арочной части шпангоута между опорами. На рис. 14 представлены исследуемая зона шпангоута, эпюра изгибающих моментов в этой зоне и значения относительных изгибающих моментов. .

0,2 ОА 0,6 0.8 Ю

в £ атосипе/ыюя дистанция сечения арочной бшки (*/,/£

Рис. 14. Зависимость распределения изгибающего момента в арочной балке мотогондольной части шпангоута схемы 2

Проведен анализ влияния удлинения балочной части силового шпангоута н; распределение изгибающего момента между частями силового шпангоута и контуром продольной кессонной балки. '

Балочная консольная часть силового шпангоута имеет комбинированную схему заделки жесткую в мотогондольной части шпангоута и в контуре отсека боковой балки. Эт; комбинированная схема заделки приводит к тому, что доля изгибающего момента в балочної части шпангоута переходит в кручение отсека боковой балки. Так происходит разгрузк; силового шпангоута контуром кессонного отсека и практическое значение изгибающеп момента на стыке балочной и мотогондольной части меньше теоретического (рис. 15).

Рис. 15. Соотношение эшор теоретических и практических, изгибающих моментов I балочной части шпангоута с учетом разгрузки контуром отсека

Построены диаграммы относительных теоретических и практических изгибающи моментов в зависимости от изменения параметров формы балочной части силового шпангоута Данные для расчетов взяты из статистики по существующим истребителям (табл. 1). В таблиц приведены абсолютные значения теоретических и практических изгибающих моментов стыковой зоне балочных частей, а так же параметры формы. Значения изгибающих моменто1 приведены к безразмерному виду, принимая за единицу значения в столбце теоретически изгибающих моментов.

Таблица 1 .

Самолет №шп Мпракт, тс*м Мтеор, тс*м Ьбал, мм Нбал, мм Хбал Эбал, м2 М_теор М_стыка

ПИ 45 2,3 5 823 192 4,29 0,158 1 0,46

43 2,6 8,5 903 240 3,76 0,2167 1 0,30588

38 2,22 13 984 300 3,28 0,2952 0,17077

С-37 54 10,45 16 1542 307 5,02 0,4734 1 0,65313

58 7,7 12 1542 285 5,41 0,4395 1 0,64167

62 6,3 8,9 1542 202 7,63 0,3115 0,70787

Точки относительных изгибающих моментов и площади, ограниченные контуром боковых балок, нанесены на график рис. 16.

Рис. 16. Зависимость соотношения теоретического и практического изгибающих моментов в балочной части шпангоута

Из графика видно, что основное влияние на соотношение долей изгибающих моментов оказывает изменение удлинения балочной части шпангоута. Другими словами, чем больше удлинение, тем меньшая доля теоретического изгибающего момента переходит в кручение.

Эти зависимости позволяют сделать следующие частные выводы:

- распределение нагрузки в кольце мотогондольной части шпангоута зависит от параметра эксцентриситета. Весовая эффективность кольца падает с увеличением эксцентриситета из-за увеличения разницы в загрузке сводов изгибающим моментом;

- разгружающий эффект кессона зависит от удлинения балочной части.

В третей главе проведен численный эксперимент по расчету напряженно-деформированного состояния конструкции ХЧФ методом конечных элементов. Рассмотрена конструкция двух отсеков с различными конструктивно-силовыми схемами. Поперечное сечение хвостовой балки отсека с КСС-2 имеет меньшее удлинение, чем балки отсека с КСС-1. Общий вид и схемы нагружения продольных отсеков представлены на рис. 17.

Рис. 17. Общий вид и схема нагружения экспериментальных отсеков

Шпангоут 45 в схеме нагружен усилиями от стабилизатора, шпангоут 43 нагружсі изгибающим моментом от навески киля, а шпангоут 38 нагружен изгибающим моментом і перерезывающей силой от крыла. Все шпангоуты имеют мотогондольную часть с кольцом.

Общий вид распределения напряжений в электронной модели экспериментального отсек; представлен на рис. 18.

Рис.Г8. Напряженно-деформированное состояние отсека с КСС

2

В результате анализа НДС были получены данные для корректировки расчетны. зависимостей распределения нагрузки по частям шпангоута в зависимости от параметро) формы (см. рис. 14). Обработка результатов численного эксперимента показала незначительно! расхождение с результатами, полученными аналитическим и расчетным методами.

В четвертой главе проведено формирование методики выбора рационально! конструктивной схемы силового шпангоута.

Как было определено ранее, цель работы состоит в создании методики выбора рациональной схемы силовых шпангоутов в хвостовой части фюзеляжа истребителя интегральной компоновки на начальных этапах проектирования с.использованием статистики по аналогичным образцам техники и без проведения оптимизации сложных моделей конструкции. • '

Для выполнения этой цели определен показатель весового совершенства и создан инструмент выбора рациональной схемы конструкции силовых шпангоутов. .

Проведен анализ различных показателей весовой эффективности, используемых при проектировании самолета в целом и конструкции агрегатов планера. Для оценки весовой эффективности силовых шпангоутов выбран показатель в виде удельной массы

м „

конструкции = —■, который выражает отношение массы конструкции к площади

О

поверхности области существования силового шпангоута. То есть, удельная масса показывает затраты массы конструкции на единицу площади области существования силового шпангоута. Этот показатель может применяться вне зависимости от материала конструкции.

Подобраны статистические данные по конструкции силовых шпангоутов. Статистика представляет собой набор геометрических и массовых параметров, которыми обладает конструкция силовых шпангоутов (табл. 2). Шпангоуты различаются по конструктивной схеме (схема 1 или схема 2) и параметрам формы поперечного сечения, в которое вписана конструкция шпангоута (Л, е). Шпангоуты также разбиты, на группы согласно

классификационной матрице: группа 1- среднеплан, группа 2- высокоплан. По статистическим данным проведен расчет показателей весовой эффективности конструкции.

Таблица 2. .

самолет №шп Ь Н е Л Л е=еЖ в т 43 Схема Г руппа

ПИ 45 5700 140 20 575 40,7 0,0348 1,22 48.5 39,7 1 1

43 5700 160 55 585 35,6 0,094 1,53 60 39,2 1 1

38 5700 300 106 600 19 0,1767 1,93 66,1 34,2 1 1

35 5700 380 326 500 15 0,652 2,4 105 43,7 1 2

34 5700 530 443 486 10,7 0,9115 3,45 125 36,2 1 2

336 5700 376 552 486 15,2 1,1358 2,49 80 32,1 2 2

33а 5700 364 648 486 15,6 1,3333 2,2 80 36,3 2 2

33 5700 340 725 486 16,7 1,4918 1,98 112 56,5 2 2

Су-27 38 4478 426 277 ■ 643 10,5 0,4308 1,592 60,3 37,8 1 3

42 4473 368 211 625 12,1 0,3376 1,436 62,5 43,5 1 3

45 4440 254 112 598 17,4 0,1873 1,206 45,7 37,8 ’ 1 1

Рассмотрена динамика изменения показателя удельной массы д,; в зависимости от удлинения X. Для оценки влияния параметров формы на удельную массу вначале определены зависимости для шпангоутов с кольцом в мотоотсеке (схема 1) (рис. 19). Затем, для сравнения

схем, построены зависимости по шпангоутам с кольцом (схема 1) и шпангоутам с арочноіі балкой (схема 2) в группе 1 (рис. 20).

х е от 0,0 до 0,2 . ё от 0,6 до 0,8

Рис. 19. Диаграмма зависимости удельных масс шпангоутов схемы 1 от параметро! формы

по статистическим данным

• Схема 7 х Схема 2

Рис.20. Диаграмма зависимости удельных масс шпангоутов схемы 1 и 2 от параметро формы по статистическим данным

■ На основании полученных результатов1 сделаны следующие частные выводы:

- с ростом удлинения увеличивается удельная масса конструкции, причем градиент рост

значительно больше для схемы 2;

- относительный эксцентриситет имеет сильное влияние на массу шпангоутов по схеме и с увеличением его увеличивается наклон кривой удельной массы шпангоута.

Далее разработана методика построения аналитических номограмм удельных масс, которая базируется на зависимостях распределения нагрузки по элементам шпангоутов, полученных в главе 2. Аналитические зависимости скорректированы по статистическим данным в итоге получено семейство номограмм (рис. 21).

Рис.21. Диаграмма зависимости удельных масс шпангоутов схемы 1 и 2 от параметров формы по расчетным и скорректированным данным

Заштрихованные различным образом участки номограммы соответствуют схеме 1 или

2. Пересечение номограмм удельных масс для схемы 1 с номограммами для схемы 2 дают три диапазона существования шпангоутов на шкале удлинения X . Эти диапазоны соответствуют областям однозначности рациональной конструктивной схемы шпангоута: область 1 -рациональна схема 1, область 2 - рациональна схема 2, область 3 — неоднозначность схем.

Эти области нанесены на поле классификационной матрицы в координатах относительногб эксцентриситета и удлинения ( рис. 22). На шкале относительного эксцентриситета классификационной матрицы нанесены участки, соответствующие группам шпангоутов. Классификационная матрица с нанесенными на ее поле областями является

инструментом определения рациональной конструктивной схемы силового шпангоута тольк< по параметрам внешней формы.

Область 3

Д А - Зона неоднозначности рациональной Области 1, / зона ' ' ' схема однозночной рациональной

- определяющий фактор удельная масса___схема схема________^

Гоуппа 1 1 Группа 3 | Гоуппа 2

Среднеплан . <5=0= і 1, 1 1 1 Высокоплан

Рис. 22. Области однозначности рациональной схемы на поле классификационно! матрицы '

Далее рассмотрен алгоритм методики выбора рациональной конструктивной схсмь силового шпангоута по массе конструкции. Алгоритм состоит из пяти этапов, выполнен» которых и составляет процедуру выбора рациональной схемы силового шпангоута.

На первом этапе определяется влияние силового контура боковых балок и распределение нагрузок в балочной части шпангоута. Используются нагрузки, приложенные узлам навески шпангоута, параметры формы шпангоута и данные рисунка 15. В зависимост от того, какая часть изгибающего момента перейдет в кручение кессонного отсека продольны балок, делается^вывод о выборе конструкции мотогондольной части шпангоута. Блок-схем первого этапа приведена на рис. 23.

)

Теоретический изгибающий момент

М

ттеоретический

Параметра форма балочной части Ь; Нср

Удлинение балочной части

Л

а Забисимосто долей момента от А д 0

Н'

0.5 и

9 АЭ /,3 Ь

^контура/ ^стиха

Величина момента на стоке Ласти контура б

Рис.23. Анализ влияния контура боковых балок на распределение нагрузок в шпангоуте На втором этапе определяется влияние строительной высоты балочной части шпангоута в зоне сопряжения ее с мотогондолыюй на максимальный изгибающий момент действующий в кольце мотогондолыюй части (см. рис. 10,6). Используются параметры формы шпангоута, нагрузки, взятые из предыдущего этапа. В результате . делается вывод о максимальной нагрузке в мотогондолыюй части шпангоута. Блок-схема этапа приведена на рис.’ 24. -

Рис.24. Анализ влияния строительной высоты зоны сопряжения на максимальную нагрузку в кольце

На третьем этапе определяется эффективность применения кольца в мотогондольной части шпангоута. Используются параметры формы шпангоута, нагрузки, взятые из второго этапа, и данные рисунка 15 . В результате делается вывод об эффективности кольца в мотоотсеке. Блок-схема этапа приведена на рис. 25. '

Изгибающий момент на стоке

- Радиус кольца Относительной

~ эксцентриситет /?; е —> эксцентриситет

Диаграмма загррки сводоб

кольца шпангоута

о.! а< й/

Минимальное изгибающие момент б арках кольца шпангоута

тип

Рис.25. Анализ влияния параметров формы на эффективность кольцевой часп конструкции шпангоута

. На четвертом этапе по заданным параметрам формы определяется положение точки и классификационной матрице (см. рис. 22). Эта точка попадает в одну из трех облаете! рациональности схем шпангоута, нанесенных на классификационной матрице. Области 1 и определяют рациональную схему шпангоута. Попадание точки в область 3, предполагае дальнейший поиск рациональной схемы. Блок-схема этапа приведена на рис. 26.

Классификационная матрица

- Радиус кольца - эксцентриситет ширина <рюзеляжа — средняя -■ строительная бисота Й;е;1;Нср;

Относительной

эксцентриситет

•= ‘/я

_ Удлинение ■ Ь=!-/нср

Область / Область 2

Схема 1 Схема 2

Область 3

Дальнейший анализ

Рис. 26. Алгоритм предварительного выбора схемы шпангоута на классификационно матрице

Пятый этап позволяет сравнить схемы 1 и 2 с заданными параметрами формы поперечном сечении по величине удельной массы конструкции и окончательно сделать выбо рациональной схемы. Параметрами формы шпангоута являются значения удлинения относительного эксцентриситета, для которых определяются конкретные номограммы по дву схемам шпангоутов из семейства номограмм (рис. 21). Проекции двух точек номограмм

соответствующих заданным параметрам формы, на вертикальной оси дают значение удельной массы шпангоутов, которые нужно сравнить и сделать вывод о рациональной схеме. Блок-схема этапа приведена на рис. 27.

- Радиус кольца - эксцентриситет - ширина фюзеляжа . - средняя

строительная басота Я;е;1;Нср:

Рис. 27. Алгоритм обоснования выбора схемы шпангоута по показателю весовой

эффективности конструкции

Таким образом, разработана методика выбора рациональной схемы шпангоутов фюзеляжа самолета интегральной компоновки в соответствии с параметрами формы и с учетом показателя весового совершенства конструкции.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

. 1. Разработана классификация форм поперечных сечений и силовых элементов фюзеляжа

истребителя интегральной компоновки, определены безразмерные параметры формы силового шпангоута. В результате получена классификационная матрица форм поперечных сечений. .

2. Проведен анализ статистики по показателям весового совершенства в динамической зависимости этих показателей от параметров формы. В результате этого анализа определено влияние на массу шпангоутов от параметров формы;

3. Проведен анализ нагрузок и способов заделки различных схем полноразмерных силовых шпангоутов. Сформирован общии для двух конструктивных схем подход к схеме заделки шпангоутов интегрального фюзеляжа; .

4. Определено влияние параметров формы на распределение нагрузки в каждой части полноразмерного силового шпангоута. Построены ' зависимости ■ распределения нагрузок в кольце, арке и балочной части шпангоута;

5. Построены аналитические номограммы, базирующиеся на полученных зависимостях распределения нагрузок от параметров формы. Номограммы удельных масс были

модифицированы с учетом конструктивной массы шпангоутов;

6. Для подтверждения достоверности номограмм был проведен анализ по МКЭ двух КСС с разными параметрами формы. Проведен сравнительный анализ данных полученных в результате численного эксперимента с аналитическими номограммами.

7. Были даны рекомендации по применению номограмм и классификационных матриц при выборе рациональной конструктивной схемы шпангоута.

Результаты диссертации опубликованы в работах:

1.Попов Ю. И., Столяров Д. В. Влияние взаиморасположения балочных и кольцевых частей силового шпангоута на прочность и массу шпангоута // Вестник московского авиационного института 2010, том 17 №1, с.33-41.

2.Попов Ю. И., Столяров Д. В. Расчетно-статистическая методика сравнительного анализа

конструкции фюзеляжа истребителей интегральной компоновки // Вестник московского авиационного института 2010, том 17 №1, с.10-17. ' ,

3.Попов Ю. И., Столяров Д. В. Выбор рациональной схемы силовых шпангоутов

фюзеляжа истребителя интегральной . компоновки // электронный журнал «Труды МАИ» выпуск №43 -

4.Попов Ю. И., Столяров Д. В. Критериальный анализ конструкций агрегата планера перспективного сверхзвукового маневренного самолета; Этап 1. Формирование системы критериев оценки совершенства конструкции планера и концепций применения интегральных конструкций в планере; Этап 2. Обработка статистики, формирование системы критериев, разработка концепции по использованию критериев выбора рациональной конструкции. // Отчеты по НИР на кафедре 101 МАИ 2008 г.

5.Попов Ю. И., Столяров Д. В. Формирование методики критериального анализа силовой конструкции планера маневренного самолета; Этап 1. Обоснование достоверности методики проектирования силовых конструкций по системе критериев методом конечных элементов; Этап 2. Обоснование достоверности методики проектирования силовых конструкций по системе критериев методом конечных элементов. // Отчеты по НИР на кафедре 101 МАИ 2009 г.

Множительный центр МАИ (НИУ)

24 Заказ от28. ^ 201? г. Тираж экз

61 12-5/1446

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ _(Национальный Исследовательский Университет)_

На правах рукописи

УДК 629.7.024 УДК 678.067

СТОЛЯРОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ Разработка методики выбора рациональной схемы силовых шпангоутов фюзеляжа истребителя интегральной

компоновки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальности:

05.07.02 - «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов»

05.07.03 - «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов»

Научный руководитель к.т.н. Попов Ю. И. Научный консультант д.т.н. Погосян М. А.

Москва 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

стр.4

Глава 1. Анализ состояния вопроса. Область и объект исследования. Постановка задачи

1.1. Особенности конструкции фюзеляжа современных истребителей интегральной компоновки

1.2. Статистический анализ конструкции фюзеляжа современных истребителей

1.3. Краткий обзор научной литературы в области проектирования конструкций фюзеляжа

1.4. Постановка задачи исследования

Глава 2. Характеристики и свойства схем и формы силовых шпангоутов фюзеляжа интегральной компоновки

2.1. Параметры формы силовых шпангоутов

2.2. Опорные реакции («заделка») шпангоутов интегрального фюзеляжа

2.3. Распределение усилий от изгибающего момента в кольце шпангоута

2.4. Распределение усилий от изгибающего момента в арочной части шпангоута.

2.5. Распределение изгибающего момента между балочной частью шпангоута и кессоном продольной балки по статистическим данным

Глава 3. Численный эксперимент. Корректировка аналитических зависимостей по методу конечных элементов

3.1. Постановка задачи раздела.

3.2. Условия корректности и допущения по схеме заделки шпангоутов

3.3. Описание экспериментальных отсеков, условий заделки и нагрузок

стр.7

стр.7

стр.14

стр.27

стр.29 стр.31

стр.31 стр.36 стр.42

стр.50

стр.56

стр.64

стр.64 стр.66

стр.72

3.4. Обработка результатов численного эксперимента стр.88

3.5. Корректировка аналитических зависимостей стр.101

3.6 Частные выводы СТР • 103

Глава 4. Формирование методики поиска и выбора стр.104

рациональной конструктивной схемы силового

шпангоута

4.1. Цель методики и последовательность действий

стр.104

4.2. Разработка параметра оценки конструктивного стр.106 совершенства силовых шпангоутов

4.3. Статистический анализ зависимостей удельной массы стр.109 шпангоутов от параметров формы

4.4. Разработка теоретических номограмм зависимости стр.112 удельных масс шпангоутов от параметров формы

4.5. Корректировка расчетных номограмм по стр. 123 статистическим данным

4.6. Формирование областей существования шпангоутов стр.130

4.7. Этапы проектного анализа. Алгоритм методики выбора стр.135 рациональной схемы шпангоута

стр.142

Основные результаты, выводы и рекомендации

„ стр.146

Список использованных источников г

Введение

В настоящее время и ближайшие годы сохранится актуальность проектирования летательных аппаратов интегральной аэродинамической схемы. Интегральная компоновка самолета является наиболее характерной для перспективных истребителей. Она наиболее оптимальна, так как отвечает требованиям по маневренности, боевой живучести, размещению оружия и топлива внутри фюзеляжа.

Разработка перспективного истребителя интегральной компоновки показала, что одним из сложных агрегатом планера является хвостовая часть фюзеляжа, где размещаются агрегаты оперения и силовой установки, как правило, с двумя, разнесенными от оси симметрии самолета двигателями. Форма продольных и поперечных сечений фюзеляжа, которая в первую очередь определяется требованиями аэродинамики интегральной схемы, будет значительно отличаться от традиционных. Поэтому проектирование каркаса фюзеляжа самолетов интегральной компоновки является одной из наиболее сложных задач.

Актуальность предлагаемой диссертационной работы заключается в том, что основную сложность при проектировании каркаса планера перспективных истребителей интегральной компоновки представляет проблема выбора рациональной схемы силовых шпангоутов фюзеляжа. Ошибка при проектировании силовых шпангоутов сильно сказывается на весовом совершенстве фюзеляжа и самолета в целом, так как фюзеляж перспективного истребителя обладает большим числом узлов навески агрегатов крыла, оперения и силовой установки. Из этого следует большая массовая доля силовых шпангоутов в конструкции фюзеляжа. Поэтому создание методики выбора рациональной схемы силовых шпангоутов фюзеляжа истребителя интегральной компоновки является актуальным.

Областью исследования является проектирование силовых элементов каркаса фюзеляжа перспективного истребителя интегральной компоновки на начальных этапах и этапе технического проекта.

Целью работы является создание методики выбора рациональной конструктивной схемы шпангоутов в хвостовой части фюзеляжа истребителя интегральной компоновки на начальных этапах проектирования, основанной на сравнении весовой эффективности этих схем.

Научные результаты

1. Исходя из проведенного статистического анализа форм поперечного сечения и конструкции фюзеляжа истребителей интегральной компоновки, разработана новая классификация конструктивных схем силовых шпангоутов, позволяющая определить область исследований конструкции силовых шпангоутов.

2. На основании проведенных исследований и разработок предложена новая методика выбора рациональной схемы конструкции силовых шпангоутов фюзеляжа истребителя интегральной компоновки, обеспечивающая повышение весового совершенства фюзеляжа и самолета в целом.

Отличительными особенностями предложенной методики являются:

- введение новых параметров формы поперечного сечения силовых шпангоутов для двух альтернативных конструктивных схем и определение влияния этих параметров формы на распределение нагрузки по элементам шпангоута;

- разработка показателя весового совершенства конструкции силовых шпангоутов в виде удельной массы конструкции, статистических и аналитических номограмм зависимости показателя весового совершенства от параметров формы;

разработка алгоритма использования полученных расчетно-статистических зависимостей для выбора рациональной конструктивной схемы силовых шпангоутов и оценки ее эффективности.

3. Проведение численного эксперимента на моделях конструкции всей хвостовой части фюзеляжа по расчету напряженно-деформированного состояния

методом конечного элемента с целью определить влияние параметров формы на распределение нагрузки по элементам шпангоута и продольных балок кессонного типа и, в конечном итоге, подтвердить эффективность предложенной методики.

Практическая значимость результатов состоит в том, что

диссертация является теоретической основой улучшения результатов проектно-конструкторских работ на начальных этапах проектирования. Ее использование заключает следующие возможности:

- решение вопроса о выборе рациональной схемы силовых шпангоутов;

- определение возможной весовой отдачи конструктивного решения;

- предварительные данные для расчета конструкции на более глубоком уровне проработки;

- простая процедура использования результатов исследования;

- экономия трудозатрат на начальных этапах проектирования.

Диссертация полезна для решения многих проектно-конструкторских задач, а подход, показанный в работе, применим и для других элементов конструкции самолета.

Достоверность полученных результатов достигается тем, что

основные выводы диссертационной работы основаны на сравнении расчетных и аналитических данных со статистическими данными по существующим истребителям. Эффективность результатов подтверждена в апробации методики в базовой организации и во внедрении процедур методики при проектировании перспективного истребителя.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций и списка использованной литературы.

Глава 1. Анализ состояния вопроса. Область и объект исследования. Постановка задачи.

1.1. Особенности конструкции фюзеляжа современных истребителей интегральной компоновки

По требованиям аэродинамики современный истребитель интегральной компоновки спроектирован так, что подъемная сила создается крылом и фюзеляжем совместно. Поэтому в продольном сечении фюзеляж интегральной компоновки приближен к профилю крыла, в поперечном сечении не круглый, как традиционный фюзеляж, а более плоский. По конструкции в традиционном фюзеляже продольными силовыми элементами являются балки, усиленные стрингеры, бимсы, поперечными силовыми элементы являются шпангоуты, которые старались совместить с узлами навески различных агрегатов планера, чтобы максимально их использовать в силовой схеме.

Характерной особенностью силовой схемы фюзеляжа истребителя интегральной компоновки является наличие продольных отсеков кессонного типа, которые состоят из силовых верхних и нижних панелей, вертикальных стенок и поперечных элементов в виде силовых нервюр крыла. Эти продольные кессонные отсеки являются силовой базой для присоединения к ним агрегатов планера и силовой установки. В продольном направлении фюзеляж делится на отсеки силовыми шпангоутами различной формы и схемы. Таким образом, по конструкции фюзеляж представляет собой многостеночную конструкцию смешанной конструктивно-силовой схемы, делится на отсеки, как в поперечном, так и в продольном направлении (рис. 1.1).

Центооплон Хвостовая волка

Рис. 1.1. Схема продольных отсеков кессонного типа в фюзеляже

самолета МиГ-29.

Наиболее сложной является конструкция хвостовой части фюзеляжа (ХЧФ) истребителя интегральной компоновки (рис. 1.2). На продольных кессонных хвостовых балках и силовых шпангоутах расположены узлы крепления крыла, горизонтального и вертикального оперения. На продольных хвостовых и средних отсеках и в мотоотсеках расположены узлы крепления двигателей и других агрегатов силовой установки.

\ г \ ^ \ I V

Ось навески киля \ \

Ось стабилизатора Хвостовая балка

Силовой шпангоут

(кессон) мотоотсек

Средний отсек

Мотоотсек

Хвостовая балка

г^С(кессон)

>

Продольные стенки

Рис. 1.2. Хвостовая часть фюзеляжа интегральной компоновки перспективного

истребителя.

Специфика конструкции фюзеляжа во многом зависит от формы его поперечного сечения средней части фюзеляжа (СЧФ) и ХЧФ. На рис. 1.3 приведены геометрия поперечных сечений фюзеляжа современных истребителей и перспективного истребителя (ПИ) с двумя двигателями.

С-37 Су-27 МиГ-29 ПИ

СЧФ

ХЧФ =о=о

Рис. 1.3. Поперечные сечения фюзеляжей истребителей интегральной компоновки.

Из сравнительного анализа можно предположить основные признаки фюзеляжа интегральной компоновки:

- ширина сечения фюзеляжа большей его высоты;

- неоднородность строительной высоты по ширине сечения фюзеляжа (уменьшение строительной высоты к бортам фюзеляжа);

- строительная высота фюзеляжа различна в зонах балочных и мотогондольных частей поперечного сечения.

С точки зрения конструктивного исполнения самыми сложными силовыми элементами в конструкции ХЧФ являются силовые шпангоуты навески крыла, оперения и двигателей, которые приняты как основной объект исследования в данной диссертационной работе. Сложность шпангоутов обусловлена следующими особенностями ХЧФ интегральной компоновки:

1) ХЧФ - плоский и широкий агрегат.

2) Внутренняя компоновка делит ХЧФ на продольные отсеки.

3) Количество продольных отсеков определяется компоновкой двигателей.

4) ХЧФ - наиболее нагруженная часть фюзеляжа.

5) ХЧФ имеет частый поперечный силовой набор из шпангоутов различной формы и конструктивной схемы.

Применительно к шпангоутам фюзеляжа интегральной компоновки

необходимо уточнить понятие конструктивной схемы полноразмерного силового шпангоута.

Конструктивная схема полноразмерного шпангоута характеризуется расположением и формой силовых частей шпангоута. Полноразмерный шпангоут характерен непрерывной силовой частью от одного борта фюзеляжа до другого. Членение шпангоута на силовые части условно и разделяет его на зоны по принадлежности к продольным кессонным отсекам (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Части полноразмерного силового шпангоута

Силовые части шпангоута могут представлять собой балки, арки, кольца (рис. 1.5). Балки характерны прямой нейтральной линией поперечных сечений. Арки характерны изогнутой незамкнутой нейтральной линией поперечных сечений. Кольца характеризуются замкнутой нейтральной линией поперечных сечений преимущественно круглой или овальной формы.

Балки находятся преимущественно в продольных отсеках фюзеляжа кессонного типа, сопряженных с крылом или оперением. Такими отсеками являются боковые хвостовые балки и средний отсек.

Арки находиться преимущественно в мотоотсеках. Арки огибают агрегаты, размещенные в отсеке. Расположения арки сверху или снизу зависит от формы сечения интегрального фюзеляжа - высокоплан или низкоплан.

Кольца так же находятся преимущественно в мотоотсеках. Строительная высота кольца гораздо меньше арки или балки. Кольцо так же огибает агрегаты, размещенные в отсеке. Кольца широко распространены в фюзеляжах традиционной схемы с круглым поперечным сечением.

Рис. 1.5. Возможное конструктивное исполнение частей силового шпангоута Конструктивные и силовые зоны полноразмерных шпангоутов истребителей показаны на рис 1.6.

Часть.........................................Самолет фюзеляжа С-37 Су-27 МиГ-29

Срендяя часть фюзеляжа -ост ТТи ТЛТ

Хвостовая часть фюзеляжа кто ■о-о1

- Силовая часть шпангоута ШШ - Конструктивная часть шпангоута

Рис. 1.6. Силовые и конструктивные части шпангоутов хвостовой и средней части

фюзеляжа.

Из рисунка видно, что различны взаиморасположение балочных частей сечения силовых шпангоутов по вертикали относительно мотогондольных частей сечения, ширина балочных частей, расстояние между мотогондольными частями сечения.

Часто организация силового шпангоута в отсеке бывает затруднена из-за компоновки агрегатов в отсеке. Это приводит к организации рамных вырезов в стенке шпангоута, а в худшем случае и вообще к отсутствию полноразмерного силового шпангоута в отсеке. Такая ситуация приводит к интересным и сложным техническим решениям, когда в трех отсеках одного поперечного сечения фюзеляжа существуют силовые шпангоуты, а в двух (например, мотогондолах) нет возможности по строительным высотам организовать арку или хотя бы кольцо. Такое техническое решение можно назвать неполноразмерным силовым шпангоутом, когда шпангоут имеет разрывы силовой части в отсеках с малыми ресурсами строительной высоты (рис. 1.7).

контур

шпангоут

Рис. 1.7. Конструктивный вид неполноразмерного силового шпангоута

Приведем структурную декомпозицию основных конструктивных элементов ХЧФ истребителя интегральной компоновки (рис.1.8):

Рис. 1.8. Структурная декомпозиция конструкции каркаса хвостовой части

фюзеляжа

Из структурной схемы следует, что все силовые отсеки ХЧФ содержат силовые шпангоуты и по статистическим данным они имеют 45% массовой доли в конструкции фюзеляжа.

1.2. Статистический анализ конструкции фюзеляжа современных истребителей.

Первый и наиболее ценный опыт проектирования конструкции фюзеляжа истребителя интегральной компоновки был приобретен при создании истребителей четвертого поколения Су-27, МиГ-29 и экспериментального истребителя С-37 Беркут. Силовые элементы фюзеляжа, а именно шпангоуты,

этих истребителей существенно отличаются из-за различной компоновки мотоотсеков в интегральном фюзеляже. Рассмотрим конструкцию хвостовой части фюзеляжа этих самолетов и перспективного истребителя.

Хвостовая часть фюзеляжа самолета С-37 (рис.1.9) с пакетным расположением двигателей состоит из двух продольных отсеков хвостовых балок и двух мотоотсеков, которые расположены рядом и разделены продольной стенкой. Нижняя поверхность мотоотсеков занята съемными капотами.

Два продольных отсека формируют внешний борт фюзеляжа и служат для навески крыла, стабилизатора и киля. Узел навески крыла находится на шпангоуте 49, навеска стабилизатора осуществляется на шпангоуте 62, навеска киля - на шпангоутах 58 и 53.

Рис.1.9. Вид на ХЧФ изделия С-37

На рис. 1.10 показано поперечное сечение ХЧФ и общий вид силового шпангоута навески киля. Так же на поперечном сечении показаны продольные стенки и специфические особенности обшивок мотоотсеков. Показано, что в мотогондольной части шпангоут имеет форму кольца. При этом для съема двигателя нижние арки колец шпангоута выполнены съемными. В отсеке боковых балок шпангоут имеет форму балки, аналогичной лонжерону крыла по строительным высотам и назначению.

Рис. 1.10. Поперечное сечение ХЧФ изделия С-37 и схема извлечения двигател�