Определение структуры гладкой оболочки отсека фюзеляжа:

Для конструкции сечения отсека фюзеляжа с обшивкой, подкрепленной продольным и поперечным силовым набором, вначале определяется приведенная толщина и структура композитного пакета гладкой оболочки. На первом этапе проектирования целевой функцией будет масса сечения:

где - плотность материала, - приведенная толщина r-ой панели, hi - толщина по направлению угла укладки i , lr - длина r - ой панели по периметру.

Из приведенной формулы видно, что масса зависит только от толщины материала панели. В этом случае, гладкая оболочка должна удовлетворить ограничениям по прочности и жесткости.

При проектировании ограничение по прочности лучше и проще всего записывать через прочность вдоль волокна без учета связующего. В этом случае ограничение по прочности вдоль волокон запишется:

где у1 ?напряжение в слое; ув1 ?предел прочности материала вдоль направления волокон.

После определения толщин в первом приближении необходимо проверить на прочность с учетом работы связующего. Все имеющиеся условия прочности с учетом работы связующего существенно завышают параметры толщины, при этом необходимо увеличить толщину всех слоев пропорционально одному и тому же коэффициенту.

Как показала практика, в отличие от металлических конструкций, для композитных конструкций найденные толщины чаще всего удовлетворяют требуемым изгибным и крутильным жесткостям.

Для определения толщины по слоям мы находим максимально нагруженные точки в каждой панели: .

Проектирование ведется без учета связующего и для четырехслойного ортотропного пакета слоев с укладкой волокон под толщина находится из соотношений, которые удовлетворяют уравнениям совместности деформаций:

где k - номер приближения; h - суммарная толщина обшивки, E, E - модули упругости, G - модуль сдвига, , и - коэффициенты Пуассона для структуры, определенной на k -ом шаге приближения расчета.

Для ортотропной структуры для слоев с углами укладки необходимо, чтобы h2=h3, но так как h2 и h3 получаются неодинаковыми, принимается что h2=h3=hmax (из этих двух величин выбираем максимальное значение). Толщина h4 назначается в пределах (0,15-0,25) h для обеспечения жесткости контура отсека фюзеляжа.

Процесс расчета продолжается до тех пор, пока два последних приближения вычисления толщин не будут отличаться друг от друга на заданную величину. После этого толщины округляются с учетом толщины технологического элементарного слоя, значит, находим не толщину, а количество слоев. Затем находим в каждом слое напряжения у1i, у2i и ф12i, и сравниваем их с предельными значениями. Если во всех слоях выполняются условия: у1iув1, у2iув2 и 12i12i то на этом считаем, что ограничения выполнены.

В качестве примера определения оптимальной формы поперечного сечения, задаемся полезный объем (уровень комфорта), и на основе этого объема предлагаем различные формы поперечного сечения.

Затем определяем НДС и максимальную нагруженную точку для каждого сечения, и после этого определим структуру каждой гладкой оболочки, с учетом силовых наборов, но без их конкретного распределения, поскольку проектирование силовых элементов проводится с учетом конкретной компоновочной схемы отсека фюзеляжа и конструктивно- технологических ограничений.

Сравнительный анализ проводится по весу, определяем найвыгодную форму.

Пример расчетов:

Региональный самолет на 300 пассажиров, 4 кресла в ряду, Известны Qy, Mz, My и Mкр; самолет летает на больших высотах и нужно учитывать внутреннего давления. Рассматриваются 6 форм:

1) круглое сечение;

2) овальное высокое сечение;

3) овальное широкое сечение;

4) сечение из двух окружностей;

5) сечение минимального требуемого объема;

6) прямоугольное сечение.

Рисунок 2.13 - Преимущество овального сечения

Определяем минимальный требуемый объем фюзеляжа для самолета с данными параметрами и задаваемого уровнякомфорта с помощью (3) для каждой формы сечения, на рис.19 и представлены сечения 1, 2, 3 и 4. Для анализа НДС, берем отсек регулярного поперечного сечения, например, длиной отсека: 5000мм. Представим каждое сечение в зависимости от координат по контуру оболочки рис.3, например, для круглого сечения: R = 1500 мм, 4 = sinиcosи и 5 = 2 sin иcosи , и с формулами (6) и (7) имеем:

После ортогонализации (8) и минимизации энергии (11) получаем систему дифференциальных уравнений, решение этой системы позволит найти X4 и X5 в зависимости от 4-х констант:

Эти значения вводим в усилие N и составим систему естественных граничных условий (13) чтобы найти константы C1, C2, C3 и C4. Таким образом, находим X4 и X5 в зависимости от (координата подлине ) и от (координата по контуру При l , усилие N примет вид:

После построения эпюры находим опасную точку (максимальное усилие N):

Рисунок 2.14 - Анализ НДС круглого сечения с проверкой с МКЭ

Известны прочностные характеристики монослоя гладкой оболочки: E1150 ГПа, E2 8500 МПа, G12 4500 МПа, 12 0,28, в1 1800 МПа , 12 8 МПа и углы укладки 0 , 45 и 90 . С помощью (14) находим толщины нулевого приближения, потом после 3-ей итераций (15) находим все толщины в наиболее нагруженной точке панели:

1. Круглое сечение

Так как предел поперечной деформации волокон связующего 2,5 - 3 раза меньше чем предел деформации вдоль волокон эти толщины могут увеличиваться в 2,5-3 раза, из них мы распределим нужный однонаправленный материал на продольный набор (стрингеры) и на поперечный набор (шпангоуты), остаток сложим в ткани для обшивки. Затем находим в каждом слое напряжения у1i, у2i и фl2i, и сравниваем их с предельными значениями, чтобы удовлетворять условиям.

Таким же образом находим оценочные толщины для всех сечений в мм, без учета технологических ограничений

2.4 Сравнение форм по весу

Таблица 1.1 - Сравнительный весовой анализ различных форм сечений

Заключение

Фюзеляж самолета предназначен для размещения экипажа, оборудования и целевой нагрузки. В фюзеляже может размещаться топливо, шасси, двигатели.

Являясь строительной основой конструкции самолета, он объединяет в силовом отношении в единое целое все его части.

Основным требованием к фюзеляжу является выполнение им своего функционального назначения в соответствии с назначением самолета и условиями его использования при наименьшей массе конструкции фюзеляжа.

Излагается методика выбора оптимальной формы поперечного сечения отсека фюзеляжа, выполненного из композиционного материала, обеспечивающая минимум массы оболочки. Определяется полезный объем отсека в зависимости от коммерческой нагрузки, рассматриваются варианты поперечных сечений и, в зависимости от их восприятия внешних нагрузок, анализируется НДС конструкции из композиционных материалов, для нахождения максимальной зоны нагружения. Определяется необходимая толщина оболочки, используя условия равно прочности.

Весовая эффективность конструкции фюзеляжа находится в значительной зависимости от степени использования объемов, что влияет и на размеры фюзеляжа, следовательно, и на вес пассажирского самолета.

Фюзеляж круглой формы не может удовлетворить требований увеличения грузовой и пассажирской вместимости современных самолетов, так как неэффективно используется площадь с боков и снизу, что ведет к увеличению миделя и поверхности фюзеляжа.

Поэтому в данной работе рассматриваются конструкции фюзеляжа других форм поперечного сечения одинакового уровня комфорта (полезного объема), которые могут оказаться легче за счет большей плотности компоновки и меньших размеров.

При отличии сечения от формы правильного круга толщина оболочки фюзеляжа будет увеличиваться, так как панели этих форм подвергаются изгибу от избыточного давления.

Задача заключается в нахождении оптимальных параметров структуры оболочки при различной форме поперечного сечения. Основными условиями выбора формы фюзеляжа являются: объемная эффективность, нахождение потребного сечения с наименьшим периметром, влияние внутреннего давления в гермокабине и т.д.

Полезный объем конструкции отсека фюзеляжа:

При определении оптимальных конструкций принято, что оптимизация проводится при наложении ряда ограничений, при этом в качестве критерия учитывается минимум массы конструкции.

Размеры фюзеляжа пассажирского самолета определяются заданным числом пассажиров при стандартном размещении кресел и потребным объемом грузовых помещений. Условия, связанные с первым требованием, включают: ширину кресел и шаг их установки, ширину и высоту проходов, при заданной степени комфорта.

На размер самолета, его весовое и экономическое совершенство оказывает влияние не только плотность компоновки, но и объемная эффективность, представляющая собой отношение полезного объема к площади омываемой поверхности.

Из проведенного анализа видно, что вес каждой гладкой оболочки различных форм поперечного сечения с учетом силовых наборов, но без их конкретного распределения материала, зависит от толщины оболочки и от длины контура поперечного сечения. Из полученных результатов можно сделать вывод о том, что при одинаковом уровне комфорта овальное сечение выгоднее, даже при некотором увеличении толщины оболочки, за счет большей плотности компоновки и меньшей площади поверхности оболочки, что дает выигрыш в массе.

Список использованной литературы

1. Авдонин A.C., Фигуровский В.И. Расчет на прочность летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1985.

2. Авиационные правила Часть 25. Нормы летной годности: самолетов транспортной категории: Межгосударственный авиационный комитет. Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова. 2014.-322с.

3. Азиков Н.С. Определение несущей способности композитных панелей при сжатии. Механика композитных материалов. 1991. №5. С. 831-83 8.

4. Аралов Г.Д., Рябов В.А. Магистральные пассажирские самолеты. -М.: МАИ-ГосНИИГА, 1989.-42

5. Арепьев: А.Н. Выбор проектных параметров и оценка летных характеристик пассажирских самолетов с турбовинтовыми двигателям: Учебное пособие.-М.: Изд-во МАИ, 2005 !-96с: ил.

6. Арепьев А.Н. Концептуальное проектирование магистральных пассажирских самолетов. Учеб. Пособие.- М.: Изд-во МАИ 1996.

7. Арепьев А.Н. Проектирование легких пассажирских самолетов. Учебник для вузов. Изд.во МАИ 2006.

8. Арефьев В. Н. Весовой расчет фюзеляжа пассажирских самолетов. -- «Труды ГосНИИ ГА», вып. 97. М„ 1974, с. 79--91

9. Астахов М.Ф., Караваев A.B., Макаров СЛ., Суздальцев Я.Я. Справочная книга по расчету самолета на прочность. Оборонгиз, 1954.

10. Бадягин A.A., Мухамедов Ф.А. Проектирование легких самолетов. М.: Машиностроение, 1978.208 с.

11. Шейнин В. М., Козловский В. И. Проблемы проектирования пассажирских самолетов. М.: Изд-во Машиностроение 1972.

12. Дудченко А.А., Оптимальное проектирование элементов авиационных конструкций из композиционных материалов: Учебное пособие. -М.: Изд-во МАИ, 2002. -84с: ил.

Размещено на Allbest.ru