CC BY
27Решетневскуе чтения. 2017
УДК 678.027
МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПОДХОД ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ*
Е. И. Куркин1, В. О. Садыкова, М. О. Спирина
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева Российская Федерация, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34 1E-mail: eugene.kurkin@mail.ru
Производство изделий ракетно-космической техники требует учета характеристик напряженно-деформированного состояния, а также технологии их изготовления. Разработана конструкция кронштейна навески из перспективного короткоармированного материала с использованием многоуровневого подхода.
Ключевые слова: моделирование, прочностный расчет, композиционный материал, реверс-инжиниринг, литье под давлением, кронштейн.
MULTI-LEVEL APPROACH FOR AEROSPACE DESIGN FROM PERSPECTIVE MATERIALS
E. I. Kurkin1, V. O. Sadykova, M. O. Spirina
Samara National Research University 34, Moskovskoe shosse, Samara, 443086, Russian Federation
1E-mail: eugene.kurkin@mail.ru
The production of aerospace structures requires taking into account the characteristics of the stress-strain state and their production technology. This paper develops the fitting from a prospective composite material reinforced by short fibers based on a multilevel approach.
Keywords: modeling, strength calculation, composite material, molding under pressure, reverse engineering, fitting.
В современной ракетно-космической промышленности широко применяются композиционные материалы, армированные короткими высокопрочными волокнами. Высокими механическими характеристиками обладают реактопласты. К их преимуществам можно отнести высокую жесткость, сопротивляемость высокому температурному режиму, а также незначительную усадку. Внедрение подобных материалов зачастую позволяет находить новые, во многом уникальные технические решения, способствующие усовершенствованию конструктивно-технологического облика аэрокосмического изделия [1].
Проектирование аэрокосмических конструкций из композитов основано на высокоточном моделировании процесса их создания и изготовления, требующего экспериментального уточнения характеристик используемых при их производстве материалов [2]. В данной работе при исследовании реактопластов использованы изготавливаемые на кафедре КиПЛА Самарского университета смеси эпоксидной смолы Этал-Карбон М с угольными волокнами длиной 0,3 мм.
Целью работы является создание кронштейна навески из перспективного короткоармированного материала, способного выдержать нагрузку в 20000 Н, а также моделирование полного цикла его изготовления.
Задача выбора геометрии кронштейна решена с помощью метода топологической оптимизации, основанный на моделировании методом конечных элементов в системе ANSYS с применением тела переменной плотности [3; 4].
Постановка и решение прочностной задачи проведена в модуле ANSYS Mechanical, в котором заданы механические свойства, условия закрепления и действующие на тело переменной плотности нагрузки [5]. После решения прочностной задачи в модуле Topology Optimization системы ANSYS проведена топологическая оптимизация конструкции. Это позволило снизить массу конструкции, но при этом повысить жесткостные характеристики изделия.
Оптимизированная геометрия кронштейна в формате STL для дальнейшего расчета преобразована в программе Geomagic, затем доработана в программном комплексе SolidWorks.
Для учета полного цикла изготовления кронштейна было произведено моделирование литья кронштейна из короткоармированого реактопласта в системе Moldex 3D. Описана модель вязкости, механические характеристики матрицы и угольных волокон. При задании технологических условий были выбраны параметры температур и давлений, приближенные к условиям проведения проливки кронштейна в термокамере на кафедре КиПЛА Самарского университета.
'Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-31-60093 мол_а_дк.
Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты
В системе Digimat определены проектировочные переменные многоуровневой модели композиционного материала с использованием реверс-инжиниринга, а также учтен тензор ориентации волокон, полученный на предыдущем этапе.
Расчет на прочность кронштейна из композиционного материала, армированного короткими волокнами, показал, что при нагружении детали происходит смятия материала в проушине кронштейна, поэтому в конструкцию была добавлена титановая втулка. Было разработано и рассчитано несколько модификаций втулки. Напряжения при расчете на прочность не превышают допускаемых.
Библиографические ссылки
1. Мэттьюз Ф., Роллингс Р. Мир материалов и технологий. Композиционные материалы. Механика и технология. М. : Техносфера, 2004. 408 с.
2. Hull D. An Introduction to Composites Materials, Cambridge University Press. 1981.
3. Комаров В. А. Проектирование силовых схем авиационных конструкций // Актуальные проблемы авиационной науки и техники. М. : Машиностроение. 1984. С. 114-129.
4. Aircraft design using a variable density model / V. A. Komarov, A. V. Boldyrev, A. S. Kuznetsov et al. //
Aicraft Engineering and Aerospace Techology: An Int. Journal 84/3. 2012. P. 162-171.
5. Комаров В. А. Рациональное проектирование силовых авиационных конструкций : дис. ... д-ра техн. наук / Моск. авиац. ин-т. М., 1976. 329 с.
References
1. Matthews F., Rolings R. World of Materials and Technologies. Composite materials. Mechanics and technology. M. : Technosphere, 2004. 408 s.
2. Hull D. An Introduction to Composites Materials, Cambridge University Press. 1981.
3. Komarov V. A. Designing of power circuits of aircraft constructions // Actual problems of aviation science and technology. M. : Mechanical engineering. 1984. P. 114-129.
4. Aircraft design using a variable density model / V. A. Komarov, A. V. Boldyrev, A. S. Kuznetsov et al. // Aicraft Engineering and Aerospace Techology: An Int. Journal 84/3. 2012. P. 162-171.
5. Komarov V. A. Rational design of power aviation
structures : dis.....doct. tech. sc. ; Moscow Aviation. In-t.
M., 1976. 329 p.
© Куркин Е. И., Садыкова В. О., Спирина М. О., 2017
