ПРОЧНОСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РУЛЯ ВЫСОТЫ СОВРЕМЕННОГО САМОЛЕТА

АННОТАЦИЯ

Еще недавно для проектирования материалов и конструкций использовались расчеты классической механики, но в современных, резко меняющихся условиях для ускорения и автоматизации проектирования используют программные пакеты САПР (SolidWorks, Autodesk, Inventor, Ansys и др.), основанные на методе конечных элементов, позволяющие моделировать и анализировать возникающие напряжения в конструкции в режиме реального времени. В работе сделан прочностной анализ, позволяющий определить работоспособность конструкции руля высоты под действиями нагрузок возникающих во время эксплуатации самолета без разрушения.

В настоящее время композиционные материалы находят всё большее применение в конструкции самолета (рисунок 1) [1, 2].

Рисунок 1. Доля композиционных материалов в самолетах различных производителей: Боинг-787 (США) (а); семейства авиалайнеров Airbus (Франция, Европа) (б); МС-21 (Россия) (в)

Процесс создания самолета включает в себя комплекс теоретических и экспериментальных исследований, такие как прочность конструкции, ресурсные испытания, определяющие сроки эксплуатации летательного аппарата. Также, немало важным при проектировании самолета является выбор материала, так как от нее зависит дальность полета, расход топлива, долговечность и весовые характеристики самолета. На сегодняшний день, в этом направлении хорошо зарекомендовали себя композиционные материалы на основе углеродных волокон и эпоксидных связующих, способных кроме основных свойств радиопрозрачности, обладать характеристиками, позволяющими работать в жестких условиях механических и климатических воздействий. При исследовании и расчете теплового, напряженного-деформированного состояния отдельных элементов планера, особое внимание уделяется применительно к конкретным конструкциям, а также разрабатываются новые  методы проверочных и проектировочных расчетов. Окончательные выводы о прочности летательного аппарата, составляется после проведения экспериментальных исследований натурной конструкции планера по широкой программе, предусматривающей проверку основных агрегатов при различных типах нагружения и тепловых режимов [2].

Анализ, действующих нагрузок на одну из основных конструкций современного самолета – руля высоты, показал, что распределение этих нагрузок  (рисунок 2) и их максимальные значения (таблица 1) предполагают использование конструкционных материалов, обладающих высокими значениями удельных прочностных характеристик, соответствующих максимальным величинам действующих напряжений (таблица 1).

Рисунок 2. Распределение нагрузок, действующих на руль высоты

Таблица 1.

Максимальные значения действующих нагрузок на руль высоты

Конструкция руля высоты должна соответствовать критериям:

• Руль высоты должен быть жестким;
• Предел прочности материала на сжатие σ^– для всей толщины пакета должен находиться в пределах 3,2 ГПа;
• Предел прочности материала на растяжение σ⁺ для всей толщины пакета должен находиться в пределах 12,3 ГПа;
• Прочность на изгиб всего пакета не ниже 13,1 ГПа;
• Масса руля высоты должна быть минимальной, не более 78 кг.

Из полученных данных, можно сделать вывод о целесообразности применения в качестве материала для изготовления руля высоты  углеродные волокна в сочетании с эпоксидным связующим, что является традиционной практикой в авиационной промышленности в настоящее время. Анализ условия работы, конструктивные особенности и критерии руля высоты  позволяют предложить в качестве конструктивного решения  по его структуре сэндвич-панель (рисунок 3).  Поскольку именно такая структура обеспечивает максимальную жесткость конструкции и минимальный объем материала обшивки [3].

Рисунок 3. Структура сэндвич панели

Для оценки напряженного состояния в композиционном материале и подтверждения целесообразности изготовления руля высоты из углепластика проведено моделирование напряжённо-деформированного состояния с помощью SolidWorks, которая основанная на методе конечных элементов, обладающая возможностями анализа модели на различные напряжения, возникающие при эксплуатации проектируемой конструкции в реальных условиях [4, 5].

При моделировании необходимо правильно построить структуру панели руля высоты с учетом наличия обшивок и сотового заполнителя. Результаты имитационного моделирования представлены на рисунках 4–6.

Рисунок 4. Построение модели руля высоты в пакете программы SolidWorks

Рисунок 5. Распределение напряжений от действия суммарного изгибающего момента 15500 Н·м, приложенного  к конструкции

Рисунок 6. Распределение перемещений, возникающих при действии суммарной изгибающей нагрузки 15550 Н

Таким образом, в работе был сделан анализ при помощи программы Solid works,  которая позволила оценить прочностные характеристики руля высоты изготовленного из углепластика, что позволило выявить эффективность применяемого материала при эксплуатации и требуемый запас прочности в конструкции.

Список литературы:

1. Маркин В.Б. Строительная механика композитных конструкций: Учебное пособие – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004. – 180 с.
2. Воробей В.В. Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций / В.В. Воробей, В.Б. Маркин. – Новосибирск: Наука, 2006. – 1990 с.
3. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др. /Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнапольского. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.
4. Алямовский А.А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation: Учебное пособие – М.: ДМК-Пресс, 2010. – 464 с. 
5. Алямовский А.А. Основы расчета конструкций на прочность в среде SolidWorks: Учебное пособие – М.: ДМК Пресс, 2010. – 784 с.