CC BY
5УДК 531.663:539.3 DOI: 10.34759/trd-2020-111-6
Алгоритмы исследования ударного взаимодействия элементов
авиационных конструкций
Голдовский А.А.*, Фирсанов В.В.**
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, 125993, Россия
*e-mail: gold4545@list. ru **e-mail: k906@mai.ru
Статья поступила 10.02.20
Аннотация
В данной работе приведены результаты исследования ударных взаимодействий в авиационных конструкциях. Как правило, анализ ударных процессов происходит уже после совершившегося факта, например, обнаруженных вмятин, трещин, сколов и т.п. Данная задача является актуальной по причине необходимости стопроцентного обеспечения безопасности во время эксплуатации летательных аппаратов. Целью статьи является обобщение инженерных походов к исследованию причин, которые могут привести к ударному процессу в авиационных конструкциях.
Ключевые слова: ударное взаимодействие, численное моделирование.
Введение
Как правило, анализ причин и исследование ударных процессов в авиационных конструкциях происходит при обнаружении реальных повреждений в
конструкциях, таких как вмятины, трещины, сколы и прочее. Для оценки причин,
приведших к возникновению вышеуказанных процессов, как правило, применяют
экспериментальные методы. Экспериментальные исследования по оценке ударной
прочности приводит к значительным материальным затратам (разработка и
производство оснастки, изготовление ударных моделей, а также защитных
элементов). В связи с этим, для сведения к минимуму материальных затрат
возникает проблема разработки методов моделирования ударных процессов.
Цель данной работы состоит в обобщении методики исследования
пораженных участков и разработке численных моделей прогнозирования
разрушения контактных зон в авиационных конструкциях.
Постановка задачи
Постановка задачи об исследовании ударного взаимодействия в авиационных конструкциях включает следующие этапы [1]:
1. Формулировка начальных условий.
2. Определение сил, приводящих к ударному взаимодействию.
3. Определение положения элементов соударения относительно друг друга.
В части начальных условий выбираются результаты контактного взаимодействия -замеренные при испытаниях пластические деформации и перемещения. Для определения сил, приводящих к ударному взаимодействию, используются уравнения теории упругости и пластичности для решения обратной задачи, а также
определения сил, приводящих к аналогичным значениям перемещений и
деформациям (при условии наличия данных о физических свойствах материала).
Для определения положение ударного элемента относительно авиационной конструкции, используется критерий сходимости площади пораженной области и площади проекции ударного элемента на недеформированную плоскость.
Численное моделирование
Рассматривается ударное взаимодействие металлической заглушки (рис. 1а) с алюминиевым элементом фюзеляжа летательного аппарата (рис. 1б). При этом металлическая заглушка имеет начальное ускорение, направленное перпендикулярно к продольному силовому элементу фюзеляжа, а твёрдая преграда, в свою очередь, жёстко закреплена по контуру.
Начальное условие моделирования принято в виде поля перемещений (рис. 2а) и деформаций (рис. 2б), расчитанных предварительно.
а) б)
Рис. 1
V
а) б)
Рис. 2
Для определения точного расположения заглушки относительно элементов фюзеляжа проводится сравнение площади поверхности со значительным пластическим деформированием (рис.3) и площади проекции заглушки на недеформированную поверхность элемента фюзеляжа. Следует отметить, что заглушка имеет выступающие поверхности, и на рис. 3 видно, что площадь скола существенно меньше любой площади проекции заглушки. Поэтому далее рассматривается площадь проекции шляпки заглушки. При моделировании выбирается 5 или более положений наиболее близких по площади поверхности. Для проведения численного моделирования используется решатель с явной схемой интегрирования. Длительность ударного процесса составляет не более 0.001 сек.
Рис. 3
После получения условий взаимного расположения элементов фюзеляжа и
заглушки, а также силы, действующей на заглушку, с целью наиболее точного
повторения физического процесса проводится численное моделирование, рис.4.
Критерием точности является различие, не более чем на 10%, значений
перемещений и деформаций в узлах модели.
Рис. 5 - сопоставление результатов моделирования с начальным условием (поле
перемещений)
Рис. 6 - сопоставление результатов моделирования с начальным условием (поле
деформаций)
На рисунках 5 и 6 приведено сопоставление результатов моделирования с начальными условиями (рисунки слева - моделирование, справа - начальное
условие). При этом при увеличении угла контакта более чем на 5 градусов критерий
точности не выполняется (отличие значений перемещений и деформаций в узлах
модели более чем на 10%).
Заключение
Построены конечноэлементные модели ударного процесса с учётом различных положений и начальных условий моделирования. Получены численные результаты расчёта НДС конструкции. Решена обратная задача по определению сил, действующих на ударный элемент (заглушка).
Предложены алгоритмы для исследования ударных взаимодействий в авиационных конструкциях с целью исследования пораженных участков в авиационных конструкциях.
Библиографический список
1. Голдовский А.А. Численные модели прогнозирования контактных зон в результате ударного взаимодействия авиационных конструкций с преградой при аварийных ситуациях // Труды МАИ. 2019. №107. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=107833
2. Власов В.З. Общая теория оболочек. - М.: Гостехиздат, 1949. - 784 с.
3. Тишков В.В., Фирсанов В.В. Многоуровневый подход при построении расчётных моделей динамического состояния объектов авиационной техники при среднескоростном ударе о твёрдую преграду // Научный вестник МГТУ ГА. 2010. № 161. С. 74 - 84.
4. Тишков В.В., Фирсанов В.В. Комбинированная аналитическая модель
динамического состояния объекта авиационной техники при ударе о твёрдую преграду // Научный вестник МГТУ ГА. 2007. № 123. С. 58 - 67.
5. Тишков В.В., Фирсанов В.В. Расчётный метод для прогнозирования безопасности авиационных объектов при внештатных ситуациях // Труды МАИ. 2007. № 26. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=34028
6. Сидоренко А.С. Динамическое деформирование конструкции авиационного изделия при ударе о преграду // Научный вестник МГТУ ГА. 2007. № 123. С. 48 - 57.
7. Вербицкий А.Б. Сидоренко А.С. Динамическое состояние конструкции авиационного носителя при аварии на этапах взлета и посадки // Труды МАИ. 2013. № 67. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=41442
8. Вербицкий А.Б. Сидоренко А.С. Динамическое деформирование конструкции авиационного изделия при аварийном соударении с преградой // Труды МАИ. 2014. № 78. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=53502
9. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1975. - 543 с.
10. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. - М.: Мир, 1986. -318 с.
11. Формалев В.Ф., Ревизников Д.Л. Численные методы. - М.: Физматлит, 2004. -400 с.
12. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров - М.: Машиностроение-1, 2004. - 512 с.
13. Лукьянова А.Н. Моделирование контактного взаимодействия деталей. - Самара:
Самарский государственный технический университет, 2012. - 86 с.
14. Филоненко-Бородич М.М. Теория упругости. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. - 364 с.
15. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. - М.: Машиностроение, 1968. - 400 с.
16. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. - М.: Наука, 1974. - 311 с.
17. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. - М.: Наука, 1966. - 752 с.
18. Flores P., Ambrosio J., Claro J.C.P., Lankarani H.M. Influence of the contact-impact force model on the dynamic response of multi-body systems // Journal of Multi-body Dynamics, 2006, no.220(1), pp. 21 - 34. DOI: 10.1243/146441906X77722
19. Bathe K.J., Wilson E.L. Large Eigenvalue Problems in Dynamic Analysis // Journal of the Engineering Mechanics Division, 1972, vol. 98, pp. 1471 - 1485
20. Abrahamson G.R., Lindberg H.E. Peak load-impulse characterization of critical pulse loads in structural dynamics // Nuclear Engineering and Design, 1976, vol. 37(1), pp.35 -46. DOI: 10.1016/0029-5493(76)90051-0
21. Xing YuFeng, Zhu DeChao. Analytical solutions of impact problems of rod structures with springs // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1998, vol. 160, issue 3-4, pp. 315 - 323.
