Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ)

Институт авиации, наземного транспорта и энергетики

Кафедра аэрогидродинамики

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине:

«Конструкция вертолетов» на тему: «Разработка каркасного агрегата вертолета»

Казань 2022 г.



Оглавление

• Аннотация
• 1. Исходные данные и описание агрегата
• 1.1 Исходные данные
• 1.2 Описание агрегата
• 1.3 Описание элементов
• 1.4 Способ соединения основных элементов конструкции
• 1.5 Основные расчётные случаи
• 2. Расчет нагрузок на агрегат
• 2.1 Расчет режима горизонтального полета с постоянной скоростью
• 2.1.1 Нагрузки от рулевого винта
• 2.1.2 Нагрузки от горизонтального оперения
• 2.1.3 Нагрузки от вертикального оперения
• 2.1.4 Определение эксплуатационных нагрузок
• 2.2 Расчет режима посадки
• 2.2.1 Определение эксплуатационных и расчетных нагрузок на режиме посадки
• 3. Построение расчетных эпюр
• 3.1 Эпюра расчетного случая горизонтального полёта
• 3.1.1 Эпюра вертикальной плоскости
• 3.1.2 Эпюра горизонтальной плоскости
• Реакции опор
• 3.1.3 Определение результирующих значений случая горизонтального полета
• 3.2 Эпюра расчётного случая посадки
• 3.2.1 Эпюра вертикальной плоскости
• 3.2.2 Эпюра горизонтальной плоскости
• 3.2.3 Определение результирующих значений случая горизонтального полета
• 4. Выбор материала
• 5. Проектировочный расчет на прочность
• 5.1 Расчет на прочность сечения между первым и вторым шпангоутом
• 5.1.1 Определение толщины обшивки
• 5.1.2 Определение нормальных напряжений в стрингерах
• 5.2 Расчет заклепок
• 5.2.1 Расчет заклепок крепления обшивки и силового шпангоута
• 5.3.2 Расчет заклепок крепления обшивки и стрингеров
• 5.3.3 Расчет заклепок крепления силового шпангоута, обшивки и стрингеров
• 6. Подбор и прочностной расчет соединений элементов конструкции агрегата
• Заключение
• Список литературы


Аннотация

конструкция агрегат нагрузка посадка

В данном курсовом проекте производится закрепление знаний, полученных на лекционных и лабораторно-практических занятиях, а также умений решения задач конструирования агрегатов вертолетов.

По поставленной задаче проектирования определяются геометрические параметры разрабатываемого агрегата, определяются нагрузки, действующие на него, определяется конструктивно-силовая схема, подбирается конструкционный материал и производится прочностной расчёт основных элементов агрегата, а также по полученным данным выполняются чертежи.



Annotation

In this course project, the knowledge gained in lectures and laboratory-practical classes is consolidated, as well as the skills for solving problems of designing helicopter units.

According to the assigned design task, the geometric parameters of the unit being developed are determined, the loads acting on it are determined, the structural-power scheme is determined, the structural material is selected and the strength calculation of the main elements of the unit is performed, and drawings are made.



1. Исходные данные и описание агрегата

1.1 Исходные данные

Спроектировать хвостовую балку для легкого многоцелевого вертолета.

Скоростные характеристики

Максимальная скорость вертолета		280 км/ч = 77,8 м/c
Концевая скорость лопасти несущего винта		240 км/ч = 66,7 м/c
Концевая скорость лопасти рулевого винта		240 км/ч

Размерные характеристики

Длина хвостовой балки		4,000 м
Корневой диаметр		0,400 м
Концевой диаметр		0,200 м
Площадь хвостовой балки		13,33 м
Диаметр несущего винта		5,75 м
Диаметр рулевого винта		2,1 м

Массовые характеристики

Масса хвостовой балки вместе обтекателями и валами трансмиссии		47,44 кг
Масса горизонтального оперения		12,45 кг;
Масса вертикального оперения		13,65 кг;
Масса рулевого винта		13,9 кг;
Масса хвостового редуктора		14,5 кг;



Характеристики силовой установки

Мощность двигателя вертолета		463 кВТ
Количество двигателей		2

1.2 Описание агрегата

Хвостовая балка служит для выноса рулевого винта от центра тяжести вертолета на расстояние, которое необходимо для создания момента силы тяги рулевого винта, уравновешивающего реактивный момент несущего винта.

Продольный набор хвостовой балки представляет собой типовые и силовые шпангоуты. Поперечный набор хвостовой балки - стрингеры и обшивка.

1.3 Описание элементов

Силовые шпангоуты воспринимают сосредоточенные нагрузки от других частей вертолета и от грузов внутри хвостовой балки.

Типовые шпангоуты обеспечивают заданную форму сечения хвостовой балки, поддерживают элементы продольного набора при их работе на сжатие и сдвиг.

Стрингеры изготовляются в основном из прессованных уголковых профилей. Воспринимают изгибающий момент и осевые нагрузки от которых могут потерять устойчивость. Изготавливаются из дюралевых профилей.

Обшивка предназначена для придания хвостовой балке аэродинамической формы, защиты внутреннего пространства хвостовой балки от действия набегающего воздушного потока. Кроме того, обшивка работает совместно с подкрепляющими ее стрингерами на растяжение или сжатие от действия изгибающих моментов, а также на сдвиг от действия поперечных сил и крутящего момента.

1.4 Способ соединения основных элементов конструкции

Хвостовая балка соединена с центральной частью фюзеляжа с помощью силового стыковочного шпангоута, выполненного из дюралюминиевого профиля, к одной полке которого приклепаны стрингеры, а другая полка представляет собой фланец, по контуру которого расположены отверстия под болты для стыковки с ответным фланцем кормовой части хвостовой балки.

1.5 Основные расчётные случаи

1.Режим горизонтального полета с постоянной скоростью

2.Режим посадки



2. Расчет нагрузок на агрегат

2.1 Расчет режима горизонтального полета с постоянной скоростью

2.1.1 Нагрузки от рулевого винта

Обороты несущего винта:

где -концевая скорость лопасти несущего винта, R- радиус несущего винта

Угловая скорость несущего винта:

Реактивный момент несущего винта:

где k - коэффициент, зависящий от типа двигателей (k=1.25 для турбовального двигателя); N_нв - мощность, поступающая на НВ; щ - угловая скорость несущего винта

Тяга рулевого винта:

Где

Обороты рулевого винта:

Угловая скорость рулевого винта:

Реактивный момент рулевого винта:

2.1.2 Нагрузки от горизонтального оперения

Угол установки горизонтального оперения , при угле = 0,3

Рис. 1 Зависимость гидродинамических свойств характеристик профиля NACA-0012 от угла атаки при числе Рейнольдса

Где коэффициент подъемной силы

2.1.3 Нагрузки от вертикального оперения

Угол установки горизонтального оперения , при данном угле = 0,5

2.1.4 Определение эксплуатационных нагрузок

Массовая сила горизонтального оперения

Массовая сила вертикального оперения

Массовая сила рулевого винта.

Массовая сила хвостового редуктора

Где f = 1,5 - коэф. безопасности. Согласно АП-29, раздел С в котором говорится: если не оговорено иначе, то необходимо использовать коэффициент безопасности, равный 1,5.

- коэффициент эксплуатационной перегрузки



3. Построение расчетных эпюр

3.1 Эпюра расчетного случая горизонтального полёта

3.1.1 Эпюра вертикальной плоскости

Рис. 3.1.1.1 Расположение сил вертикальной плоскости случая горизонтального полета

Рис. 3.1.1.2 Эпюра вертикальных сил случая горизонтального полета

Реакции опор

Сумма моментов всех сил относительно точки A должна равняться нулю:



?M^A = - M_A - ?q_i(b_i - a_i)(a_i + b_i)/2 - ?F_ic_i - ?M_i == - M_A - F₁c₁ - F₂c₂ - M₁ = M_A - 0.6188·3.87 - 3.1852·3.87 - 11.134 = - M_A - 25.85548 = 0 ? M_A = -25.85548--кНм;

Сумма проекций всех сил на вертикальную ось должна равняться нулю:

?Y = R_A - ?q_i(b_i - a_i) - ?F_i = R_A - F₁ - F₂ = R_A - 0.6188 - 3.1852 = R_A - 3.804 = 0 ? R_A = 3.804--кН;

Для проверки вычислим сумму моментов всех сил относительно точки B:

?M^B = - M_A - R_A L + ?q_i(b_i - a_i)(2L - a_i - b_i)/2 + ?F_i(L - c_i) - ?M_i = - M_A - R_A L + F₁(L - c₁) + F₂(L - c₂) - M₁ = 25.85548 - 3.804·4 + 0.6188·(4 - 3.87) + 3.1852·(4 - 3.87) - 11.134 = 25.85548 - 15.216 + 0.080444 + 0.414076 - 11.134 = 0;



3.1.2 Эпюра горизонтальной плоскости

Рис. 3.1.2.1 Расположение сил горизонтальной плоскости случая горизонтального полета



Рис. 3.1.2.2 Эпюра горизонтальных сил случая горизонтального полета

Реакции опор

Сумма моментов всех сил относительно точки A должна равняться нулю:

?M^A = - M_A - ?q_i(b_i - a_i)(a_i + b_i)/2 - ?F_ic_i - ?M_i = - M_A - F₁c₁ - F₂c₂ = - M_A - 1.64·3.87 - 1.801·3.87 = - M_A - 13.31667 = 0 ? M_A = -13.31667--кНм;

Сумма проекций всех сил на вертикальную ось должна равняться нулю:

?Y = R_A - ?q_i(b_i - a_i) - ?F_i = R_A - F₁ - F₂ = R_A - 1.64 - 1.801 = R_A - 3.441 = 0 ? R_A = 3.441--кН;

Для проверки вычислим сумму моментов всех сил относительно точки B:



?M^B = - M_A - R_A L + ?q_i(b_i - a_i)(2L - a_i - b_i)/2 + ?F_i(L - c_i) - ?M_i = - M_A - R_A L + F₁(L - c₁) + F₂(L - c₂) = 13.31667 - 3.441·4 + 1.64·(4 - 3.87) + 1.801·(4 - 3.87) =13.31667 - 13.764 + 0.2132 + 0.23413 = 0;

Построение эпюр

3.1.3 Определение результирующих значений случая горизонтального полета.

В точке А:



4. Выбор материала

Материал типовых шпангоутов и обшивки: Д16АМ

Д16АМ - это дюралюминий марки Д16 с нормальной плакировкой, в отожжённом (мягком состоянии). Маркировка АМ, после указания марки сплава, говорит о виде плакировки и состоянии материала проката. Маркировка А наносится на листы с нормальной плакировкой, а литера М указывает на мягкое состояние материала (после отжига).

Материал стрингеров и заклепок: Д16Т

Д16Т - это дюралюминий марки Д16 в закалённом состоянии. Маркировка Т, после указания марки сплава, говорит о термообработке и прошедшем после естественным состариванием.

Материал силовых шпангоутов: Д16Б

Д16Б - это дюралюминий марки Д16 с технологической плакировкой.



5. Проектировочный расчет на прочность

5.1 Расчет на прочность сечения между первым и вторым шпангоутом

5.1.1 Определение толщины обшивки

Определяется толщины обшивки из условия восприятия ею перерезывающих сил и крутящего момента

Расчетное значение погонного касательного усилия от перерезывающей силы:

Где f - коэффициент безопасности (f = 1.5);

Определяем ф_кр:

Где k = (4.8 - 8.4); l - расстояние между стрингерами

Определяем толщину обшивки:



5.1.2 Определение нормальных напряжений в стрингерах

Для определения нормальных напряжений в стрингерах используется метод приведения обшивки к стрингерам, заключающийся в приведении площади обшивки, заключенной между двумя стрингерами, к площади стрингера. Приведенная площадь стрингера определяется

Основные параметры стрингеров берутся из ГОСТ 13737-90.

Номер 410040 ( 0,284)

Приведенная площадь обшивки:

Где - редукционный коэффициент (0.9-0.95); l - расстояние между стрингерами; - толщина обшивки

Для растянутого свода:

Где l - расстояние между стрингерами, д -толщина обшивки.

Для сжатого свода:

Где - приведенная ширина обшивки

Таким образом приведенная площадь стрингера растянутого свода:

Площадь стрингера сжатого свода:

Определяем расчетные нормальные напряжения в стрингерах растянутого свода:

Определяем расчетные нормальные напряжения в стрингерах сжатого свода:

Где f - коэффициент безопасности, -площадь стрингеров растянутого свода,- площадь стрингеров растянутого свода,- продольная сила в своде.

Где Е модуль упругости материала стрингеров, - расстояние между шпангоутами, - момент инерции стрингера, - приведенная площадь стрингера, с - коэффициент зависящий от способа опирания стрингера, в данном случае с=1.

Сравниваем нормальные напряжения растянутых стрингеров с пределом текучести материала стрингеров:

Сравниваем нормальные напряжения сжатых стрингеров с критическими напряжениями стрингера:

5.2 Расчет заклепок

5.2.1 Расчет заклепок крепления обшивки и силового шпангоута

Для начального расчета возьмем следующие данные: Шов двурядный, количество плоскостей среза I = 1, шаг заклепок по обшивке: ,

В таком случае количество заклепок:

Где - длина окружности

Максимальная сила, действующая на срез в данном сечении:

=

- суммарная максимальная нагрузка на срез действующая в сечении

Срез

Условие прочности на срез одной заклепки:

Диаметр заклепки на смятие:

Где д - толщина обшивки, ??см - допускаемое напряжение заклепок на смятие, n - количество заклепок.

Минимальный требуемый размер заклепки , тогда берем ближайший больший диаметр заклепки

5.2.2 Расчет заклепок крепления обшивки и стрингеров

Шов однорядный, количество плоскостей среза I =, шаг заклепок по обшивке: t₃=154

В таком случае количество заклепок:

Площадь обшивки балки, которою удерживают заклепки

Где - количество стрингеров, -длина окружности в сечении А

Максимальная сила, действующая на срез на хвостовой балке:

Максимальная погонная нагрузка на заклепку:

Рассчитываем диаметр заклепки на срез:

где I - количество плоскостей среза, n - количество заклепок, - допускаемое напряжение заклепки на срез.

Минимальный требуемый размер заклепки , тогда берем ближайший больший диаметр заклепки =3 мм.

5.3.3 Расчет заклепок крепления силового шпангоута, обшивки и стрингеров

Шов однорядный, количество плоскостей среза: I = 2, шаг заклепок t₃=20

В таком случае количество заклепок:

Максимальная сила, действующая на срез на хвостовой балке:

Максимальная сила, действующая на сдвиг на хвостовой балке:

Складываем векторные силы:

Максимальная погонная нагрузка на заклепки:

Рассчитываем диаметр заклепки на срез:

где I - количество плоскостей среза, n - количество заклепок, - допускаемое напряжение заклепки на срез.

Минимальный требуемый размер заклепки , тогда берем ближайший больший диаметр заклепки



6. Подбор и прочностной расчет соединений элементов конструкции агрегата

Начнем расчет крепления хвостовой балки к фюзеляжу, с диаметра болта .

Максимальное осевое усилие, действующее болт:

Где расстояние от оси силового шпангоута до болта,

Поперечное усилие на болты:

Марка стали болтов: 30ХГСА

Допускаемое напряжение:

- на растяжение: = 1100 МПа;

- на срез: = 320 МПа.

Номинальный диаметр резьбы болта: = 8 мм.

Шаг резьбы болта: Р = 1 мм.

Диаметр резьбы по впадинам: =6,77 мм.

Коэффициент полноты резьбы: Болта:; гайки: .

Коэффициент деформации витков: = 0.6.

Коэффициенты наличия смазки: ж = 0.13; ж1 = 0.26.

Площадь сечения болта:

Площадь сечения тела болта:

Напряжения среза по резьбовой части самого нагруженного болта:

Напряжения среза тела болта самого нагруженного болта:

Напряжения растяжения в болте:

Напряжения смятия в шпангоуте



Заключение

По поставленной задаче проектирования мы определили геометрические параметры хвостовой балки, определили нагрузки, действующие на неё, определили конструктивно-силовую схему, подобрали конструкционный материал и произвели прочностной расчёт основных элементов агрегата, а также по полученным данным выполнили чертежи.



Список литературы

1. Башаров Е.А., Дудченко А.А. Конструирование агрегатов вертолетов из полимерных композиционных материалов (учебн. пособие МАИ). 2014. 268 С.

2. Башаров Е.А. Особенности проектирования легких вертолетов (методическое пособие МАИ). 2016. 473 С.

3. Башаров Е.А. Конструирование агрегатов вертолетов (методическое пособие МАИ). 2016. 240 С.

4. Далин В.Н., Михеев С.В. Конструкция вертолетов (учебник). М.: Изд. МАИ, 2001. 352 C.

5. Разумов, В. Сопромату.НЕТ [Электронный ресурс]: расчет балок онлайн. / В.Разумов, режим доступа: http://sopromatu.net/

6. КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А. Н. ТУПОЛЕВА. КАИ [Электронный ресурс]: Официальный сайт. / Казан. Нац. Исл. Техн. Уни-т. Казань. режим доступа: https://kai.ru/.

Размещено на Allbest.ru