CC BY
141
Су, C.t I.j —
0.8
0.6
1___
j
——""""i
■ ' 5
-*-Сх физический эксперимент ЦДГИ -Су физический эксперимент ЦАГИ
—1— Сх численный энсперимент.вариантэ -«-Су численный эксперимент,вариант а
Сх численный эксперимент,вариант б —Су численный эксперимент, вариант б
Рис. 8. Коэффициенты подъемной силы и силы лобового сопротивления по результатам численного моделирования FloEFD (вариант а, вариант б) и эксперимента ЦАГИ
Результаты данной работы частично были представлены и обсуждались в рамках III Всероссийской научно-технической конференции «Авиация и транспорт Сибири», где было отмечено, что при всём развитии численных методов и средств моделирования принятие решения о формировании каждой конкрет-
ной расчётной модели со всеми её особенностями для исследования конкретных эффектов целиком лежит на исследователе и базируется на понимании им физического смысла исследуемых явлений (процессов) и грамотности в общеинженерном смысле.
Библиографический список
Статья поступила 25.11.2013 г.
1. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: ГИТТЛ, 1957. 254 с.
2. Кравец А.С. Характеристики авиационных профилей. М.: Оборонгиз, 1939.
3. Печенюк А.В. Численное моделирование обтекания крыла конечного размаха с аэродинамическим профилем ИДСД-2406 потоком несжимаемой жидкости при малых чис-
лах Маха. ООО "Digital Marine Technology" http://www.digitalmarine.net/dmt/rus/publ/conf.html. 4. Скоробогатов С.В., Киренчев А.Г. Исследование вибрационных характеристик лопаток ГТД // Электронный научный журнал «Молодежный вестник ИрГТУ». 2012. №3. http://mvestnik.istu.irk.ru
УДК 539.4
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ ПОЛОЗКОВОГО ШАССИ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
© Р.И. Ганиев1, А.В. Зырянов2, Н.С. Сенюшкин3
Уфимский государственный авиационный технический университет, 450077, Россия, г. Уфа, ул. Карла Маркса, 12.
Рассматриваются особенности расчета вертолетного полозкового шасси, выполненного из композиционного материала на основе углепластика. С использованием метода конечных элементов выявлены слабые места конструкции. Предложены рекомендации по проектированию полозковых шасси. Произведена сверка результатов
1Ганиев Ренат Ильвирович, студент, тел.: (347) 2737954, e-mail: gansov_ugatu@mail.ru Ganiev Renat, Student, tel.: (347) 2737954, e-mail: gansov_ugatu@mail.ru
2Зырянов Алексей Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры авиационных двигателей, тел.: (347) 2737954, e-mail: aleksfox@inbox.ru
Zyryanov Aleksei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aircraft Engines, tel.: (347) 2737954, e-mail: aleksfox@inbox.ru
3Сенюшкин Николай Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры авиационной теплотехники и теплоэнергетики, тел.: (347) 2737954,e-mail: aviastar-ufa@mail.ru
Senyushkin Nikolai, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aviation Combustion and Heat-power Engineering, tel.: (347) 2737954,e-mail: aviastar-ufa@mail.ru
теоретических исследований с фактическими данными реальных случаев грубых посадок с разрушением шасси. Ил. 10. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: полозковые шасси; расчет композитного полозкового шасси; применение метода конечных элементов при расчете деталей и узлов, выполненных из композиционных материалов.
FEATURES OF COMPOSITE SKID LANDING GEAR STRUCTURAL CALCULATION R.I. Ganiev, A.V. Zyryanov, N.S. Senyushkin
Ufa State Aviation Technical University, 12 Karl Marx St., Ufa, 450077, Russia.
This article deals with the features of calculating the ruggedness of skid landing gear made of a composite material based on carbon fiber. Structural weakness is identified through the application of the finite elements method. The article offers some recommendations on skid landing gear design and compares the theoretical study results with the actual data on hard touchdowns that cause landing skid damage. 10 figures. 7 sources.
Key words: skid landing gear (landing skid); calculation of carbon fiber landing skid; use of finite elements method for calculating parts and assemblies made of composite materials.
На сегодняшний день потребность в лёгких вертолётах в России растёт, однако парк вертолётов данного класса в основном занят вертолётами иностранного производства, что вызвано несколькими причинами, в основном более низкой ценой в обслуживании и эксплуатации, а также превосходством в весовом отношении. К примеру, масса пустого МИ-34С1 составляет 1150 кг, в то время как масса пустого RobinsonR44 составляет 635 кг. Основной задачей является снижение массы, одним из методов является снижение массы шасси и элементов планера за счёт более широкого применения композитных материалов в конструкции. Данные материалы обеспечивают основные требования, предъявляемые к конструкциям современных летательных аппаратов: минимальную массу, максимальную жёсткость и прочность узлов, максимальный ресурс работы конструкции в условиях эксплуатации, высокую надёжность.
На рис. 1 представлены относительные массы шасси [1], где G0 - масса аппарата, Кш -относительная масса шасси.
1 2 3 С 5 Ю 20 зо ш
Рис. 1. Относительные массы шасси
Как видно из рис. 1, для вертолета массой 1100 кг предпочтительнее применение полозкового шасси, поскольку его относительная масса ниже по сравнению с относительной массой колесного шасси. На рис. 2 представлена схема полозкового шасси, применяемого на вертолете «Ансат» [2].
Рис. 2. Полозковое шасси вертолета «Ансат»: 1 - передняя рессора; 2 - задняя рессора; 3 - полозки;
4 - узлы подвески
В процессе посадки нагрузка от фюзеляжа вертолета передается на переднюю и заднюю рессоры через узлы крепления, в процессе деформации рессор происходит поглощение кинетической энергии вертолета, полозки же, в свою очередь, расходятся в противоположные относительно друг друга стороны. Во избежание избыточных напряжений на узлах подвески элемент крепления рессоры к фюзеляжу выполняется в виде шарнирного кольца.
Проектирование конструкций шасси из композитных материалов сопряжено с рядом сложностей, вызванных особенностью структуры самого материала. В первую очередь это расчет на прочность конструкции из композита, сложность которого на порядок выше по сравнению с расчетом изотропного материала. Ручной расчет требует привлечения серьезного математического аппарата, в результате чего получается чересчур громоздким и занимает много времени, кроме того, требует от инженера высокого уровня подготовки. Выходом из этой ситуации стало появление программных продуктов, основанных на МКЭ (методе конечных элементов).
Расчет, визуализация и обработка результатов анализа проводились в программном комплексе Апбуб [3].
В данной работе предлагается добавить к основным рессорам дополнительные, которые вступают в действие после основных, благодаря чему обеспечивается плавность гашения кинетической энергии, а благодаря разности жесткости рессор происходит га-
шение резонансных колебаний. Схема шасси приведена на рис. 3.
алов: TitaniumAlloy и Aluminum Alloy. Результатом нагружения стала картина, представленная на рис. 6.
Рис. 3. Схема шасси
На первом этапе было проведено исследование демпфирующих свойств конструкции из изотропного материала и из композитного. Рассматриваемой конструкцией является задняя рессора полозкового шасси собственной конструкции. В АП-29 регламентируется только посадка в горизонтальном положении вертолета (посадка «по вертолетному») без упоминания о величине начального угла тангажа. Однако в случае низкого мастерства пилотирования возможны «ошибки пилотирования», а также варианты посадки на один из полозков либо с начальными углами тангажа вертолета и (рис. 4).
Рис. 4. Посадка с начальным углом тангажа
В работе рассматривается случай горизонтальной посадки без учета начального угла тангажа (рис. 5) при условии перегрузки в 2,7д вертолета массой 1100 кг.
Рис. 5. Горизонтальная посадка
В первом случае рессоры были выполнены из алюминия, элементы креплений и шарниры - из титана. В библиотеках Апбуб были выбраны типы матери-
Рис. 6. Деформация алюминиевой рессоры
Во втором случае рессоры были выполнены из углепластика. За основу было решено взять композит типа углепластик, поскольку он обладает хорошими прочностными и весовыми характеристиками и способен обеспечить необходимые прочностные характеристики. Сравним механические свойства:
Композиты на основе стекловолокна S- стекла: плотность 1,8 г/см . При изгибе:
предел прочности 800 Мпа, модуль упругости 25 Гпа,
предел прочности при сжатии 400 Мпа, предел прочности при растяжении 600 Мпа.
Композиты из углеволокна на основе эпоксидного связующего:
плотность 1,6 г/см3. При изгибе:
предел прочности 1700 Мпа, модуль упругости 135 Гпа, предел прочности при сжатии1450 Мпа, предел прочности при растяжении 1650 Мпа. В библиотеках Апбуб были выбраны типы материалов: ЕрохуСагЬс^оуеп, 395СраРгергед и ТйапштАНоу. Вначале была построена оболочечная модель рессоры, на которую выкладывались слои композита. Элементы креплений и шарниры выполнены из титана. Результатом нагружения стала картина, представленная на рис. 7.
Как видно по результатам проведенных численных испытаний, алюминиевая рессора деформировалась на 19 мм, композитная же рессора деформировалась на 24 мм. Полученный углепластиковый композитный материал обладает лучшими демпфирующими свойствами, нежели алюминий, что соответствует экспериментальным данным [4]. Благодаря этому при посадке шасси поглощают большую часть нагрузки. В результате передаваемая на фюзеляж нагрузка снижается, что благоприятно сказывается на
элементах конструкции лета.
фюзеляжа и экипаже верто-
Рис. 7. Деформация композитной рессоры
Вторым этапом стала проверка прочности рессор.
Максимальные напряжения (рис. 8 и 9) находятся в местах контакта рессор с шарнирами и равны 322 Мпа в случае алюминиевых рессор и 356 Мпа в случае композитных рессор, также максимальные напряжения возникли в местах крепления рессоры к полозкам. При определении максимальных напряжений принято допущение, что полозок движется поступательно, без вращения, что создает дополнительные напряжения на рессору в местах контакта крепления с рессорой.
В первом случае нагружалась рессора из алюминия. На рис. 8 приведена картина напряжений алюминиевой рессоры, где отмечены наиболее нагруженные участки конструкции. Качественное совпадение с реальной моделью получилось очень близким. Элементы конструкции обеспечили необходимый запас прочности при заданной нагрузке.
Цай-Хилла. Для оценки прочности однонаправленного слоя необходимо знать пять параметров:
<7+,а~Г,а2+ ,<Т2-,Г-12(^Дс,У,,Ус,5 ) [6], где ,а1 (Х^ХС) - допускаемые напряжения на растяжение и сжатие в продольном направлении;
,<г2-,( П,УС)- допускаемые напряжения на растяжение и сжатие в поперечном направлении; -12,5 -допускаемые напряжения или деформации сдвига в плоскости. Для изотропных материалов достаточно знать предел текучести, критерий максимальных напряжений не учитывает взаимное влияние напряжений в композитах.
Критерий Цай-Ву [7]:
/ =
Х*Х,
■ +
Ч Чз Чз Чг (1 1 \ + (}2+ 112+ Б2+\ХЬ ХСГ
+(Н)!
<7, + 2^,(7, <Тп
Критерий Цай-Ву требует экспериментального определения коэффициента, учитывающего взаимное влияние касательных и нормальных напряжений , в расчетной программе значение данного критерия принимается по умолчанию равным единице.
Оптимальный критерий для анализа в данном случае - критерий Цай-Хилла [7], учитывающий взаимное влияние напряжений. По критерию Цай-Хилла можно определить механизм разрушения, который учитывает разные сопротивления на сжатие и растяжение. Правомерность использования критерия Цай-Хилла для оценки послойного напряженно-деформированного состояния обусловлена тем, что данная конструкция из композитных материалов является тонкостенной и напряжения перпендикулярно плоскости слоев малы, что позволяет ими пренебречь.
/ = (тЧ + (^1 + -'-ТГ
X2
Рис. 8. Картина напряжений алюминиевой рессоры
Во втором случае было проведено нагружение композитных рессор. Анализ нагруженного состояния композита, в отличие от изотропного тела, необходимо проводить послойно, поскольку анализ по общему запасу прочности является некорректным [5]. Каждый слой проверяется с помощью критериев разрушения. В данном случае применялись критерии Цсай-ву и
В случае / > 1 происходит разрушение композита. В этом случае производится анализ составляющих уравнения и по значению максимального члена определяется характер разрушения.
Результаты представлены на рис. 9, из которых следует, что для данного случая разрушения композита не происходит, / < 1 .
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современного вычислительного комплекса, а также доказывается высокими характеристиками сходимости численных расчетов с реальными данными о фактической эксплуатации вертолетов с полозковыми шасси. Пример приведен на рис.10. Как видно из рисунка, перелом шасси произошел по местам крепления рессор к шарнирам, а также по местам крепления рессор к полозкам, расчетный случай показал аналогичные результаты.
Результаты работы позволяют сформулировать рекомендации по проектированию полозковых шасси с целью снижения массы и вероятности разрушения шасси:
• Применять композитные материалы при проектировании элементов конструкции шасси (в данном
Рис. 9. Картина нагружения срединного слоя: а - вид сверху; б - вид снизу
Рис. 10. Реальный случай грубой посадки
случае достигнуто снижение массы шасси на 35% относительно массы алюминиевого шасси).
• Выявленные высоконапряженные слои усиливать путем утолщения диаметров волокон армирующих элементов.
• Применять различные варианты укладки из различных типов волокон с возможным комбинированием.
• Проводить сравнительный анализ различных схем шасси с точки зрения обеспечения оптимальных прочностных характеристик и технологичности, доработку на ранних стадиях проектирования.
В процессе выполнения работы применялись различные варианты укладки, из которых был выбран вариант с приемлемыми прочностными характеристиками. Вначале был проверен вариант укладки «0;90;0;90;0». При данном варианте композитный материал отличается большей изотропностью свойств, однако послойный анализ показал, что при изгибах возникают избыточные напряжения в слоях с 0-ми углами укладки. Из различных вариантов углов укладки был выбран вариант «+45;-45;0;-45;+45». Варьирование положительных и отрицательных углов укладки обусловлено необходимостью обеспечить сбалансированность композита, поскольку в противном случае возникают некомпенсированные напряжения, кото-
рые могут привести к кручению либо короблению композита. В результате проведенной работы выяснилось, что для достижения приемлемых прочностных характеристик толщину срединного слоя необходимо увеличить до 1 мм по сравнению с изначальной величиной в 0,2 мм, толщина же остальных соответствовала требуемым прочностным характеристикам и осталась без изменений. Результаты расчета при данных условиях были представлены ранее (см. рис. 9).
Практическая значимость работы заключается в том, что расчетный метод позволяет проводить исследование статического напряженно-деформированного состояния узлов и деталей летательных аппаратов без использования физического прототипа. Предложенный подход дает возможность проводить анализ распределения напряжений без объекта исследования, с применением комплекса численных экспериментов.
Полученные результаты докладывались на пятом всероссийском конкурсе конструкторских разработок «Вертолеты XXI века», организованного ОАО «Вертолеты России» совместно с Корпоративным университетом ОАО «ОПК «ОБОРОНПРОМ», в апреле 2013 года.
Библиографический список
Статья поступила 26.12.2013 г.
1. Кривцов В.С., Карпов Я.С., Лосев Л.И. Проектирование вертолетов: учебник. Харьков: Нац. аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2003. 344 с.
2. Расчёт на прочность полозкового шасси вертолёта: учеб. пособие для курсового и дипломного проектирования /
С.А. Михайлов [и др.]. Казань: Изд-во Казан.гос. техн. ун-та, 2002. 60 с.
3. Инженерный анализ в AnsysWorkbench: учеб. пособие / В.А. Бруяка [и др.]. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2010. 271 с.
4. Демпфирующие характеристики композитных конструк- истых композиционных материалов: учеб. пособие / Уфа: ционных материалов, изготовленных намоткой / А.Г. Демеш- Изд-во УГАТУ, 2008. 303 с.
кин [и др.]; Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева 6. Фудзии Т., Зако М. Механика разрушения композицион-
СО РАН. Новосибирск, 2001. ных материалов / пер. с японского. М.: Мир, 1982. 232 с.
5. Первушин Ю.С., В.С. Жернаков В.С. Основы механики, 7. ANSYS Composite Prep Post documentation. проектирования и технологии изготовления изделий из сло-
УДК 622.233.05:621.3
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ БУРОВЫХ СТАНКОВ
© А.В. Гилёв1, А.О. Шигин2
Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.
При бурении сложноструктурных массивов горных пород, имеющих колебание физико-механических свойств по глубине, часто возникают значительные ударные нагрузки и вибрация, результатом которых является увеличение циклических напряжений во всем буровом органе. Проблема снижения стойкости долот при частых изменениях свойств породы может быть решена либо увеличением прочности и надежности, либо введением в структуру бурового става элемента, компенсирующего ударные нагрузки, либо применением адаптивного вращательно -подающего механизма, способного своевременно определять различные изменения свойств породы и реагировать, корректируя режим бурения. Применение адаптивного вращательно-подающего механизма позволит использовать узкий промежуток между уровнем напряжения в телах качения и предельными прочностными показателями материала. Существующие вращательно-подающие механизмы в большинстве своем не имеют специальной системы, адаптивно реагирующей на изменения свойств породы. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: бурение сложноструктурных массивов горных пород; циклические напряжения; прочность и надежность; компенсирующий элемент; адаптивный вращательно -подающий механизм.
COMPARATIVE ANALYSIS OF DOMESTIC AND FOREIGN DRILLING RIGS EFFICIENCY A.V. Gilyov, A.O. Shigin
Siberian Federal University,
79 Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.
Significant shocks and vibrations are often when drilling complex structure rock massifs characterized by depth-dependent variation of physico-mechanical properties. This results in the increased cyclic stresses on the full length of the drilling rig. The problem of reducing bore bits resistance under repeated changes in rock properties can be solved either by increasing the strength and reliability, or by introducing a shock-compensating element in the drilling RIG structure, or by using an adaptive rotation and feed unit that is capable of adjusting the drilling mode in respond to timely identified various changes in rock properties. The use of the adaptive rotation and feed unit will allow to use a narrow gap between the level of stress in the rolling elements and the ultimate strength characteristics of the material. The majority of currently available rotation and feed units does not have a special system, which provides an adaptive response to the changes in rock properties. 6 figures. 1 table. 12 sources.
Key words: drilling of complex structure rock massifs; cyclic stresses; durability and reliability; shock-compensating unit; adaptive rotation and feed unit.
В настоящее время в горной промышленности ставляет более 90%. В структуре затрат на бурение
применяются буровые станки с различными типами расходы на шарошечные долота достигают 60-70%. В
вращательно-подающих механизмов. Их особенности связи с этим при оценке эффективности буровых
характеризуются величиной усилия подачи, частотой станков для бурения взрывных скважин на карьерах
вращения бурового става и др. На карьерах России необходимо особое внимание уделять конструктив-
общее количество станков шарошечного бурения со- ным особенностям, режимам и условиям эксплуатации
1Гилёв Анатолий Владимирович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой горных машин и комплексов, тел.: 89831542368, e-mail: anatoliy.gilev@gmail.com
Gilyov Anatoly, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mining Machinery and Complexes, tel.: 89831542368, e-mail: anatoliy.gilev @ gmail.com
2Шигин Андрей Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и комплексов, тел.: 89131862659, e -mail: shigin27@rambler.ru
Shigin Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Complexes, tel.: 89131862659, e-mail: shigin27@rambler.ru
