CC BY
7
DOI 10.25987^Ти.2020.16.4.020 УДК 621.7
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ОБОЛОЧЕК КАНАЛА ВОЗДУХОЗАБОРНИКА САМОЛЕТА
В.И. Максименков1, М.В. Молод1, В.И. Федосеев2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Филиал ПАО «Корпорация «Иркут», г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрена необходимость разработки осесимметричных оболочек для канала воздухозаборника самолета, выявленная в процессе акустических испытаний. Возникающие в полете самолета скачки импеданса отрицательно влияют на эффект шумоглушения. С целью устранения этого эффекта разработана технология изготовления осесимметричной тонколистовой оболочки, не имеющей стыков и зон в разрыве перфорации. Обнаружено, что существующее оборудование не обеспечивает процесс формообразования тонколистовых оболочек требуемого качества вследствие возникновения отпечатков от секторов. Определена цель проводимых исследований. Разработана конструкция устройства, позволяющая с помощью эластичной вставки получать заданную геометрию детали. Рассмотрены форма эластичной вставки и материалы, применяемые для ее изготовления. Представлен процесс формообразования оболочки. Изготовление оболочки необходимо осуществлять на гидравлическом прессе. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния оболочки, позволяющий получить параметры процесса формообразования. Показаны зависимости по определению тангенциальных, радиальных и меридиональных деформаций. Рассмотрены напряжения, возникающие в зоне формообразования, позволившие считать напряженно-деформированное состояние оболочки плоским. Определена величина удельного давления в зоне эластичной вставки. Разработана методика технологического процесса изготовления осесимметричной оболочки
Ключевые слова: устройство, формообразование, осесимметричная оболочка, эластичная вставка, деформации, напряжения
Введение
Канал воздухозаборника самолета обеспечивает установку двигателя и решает вопросы по снижению его шума.
При изготовлении канала воздухозаборника из комбинированных сотовых панелей, когда несущие слои изготавливаются из металлических алюминиевых сплавов, а сотовый заполнитель из стеклопластиковых композиционных материалов, вопросы шумоглушения решаются применением двухслойных сотовых конструкций. Особый интерес представляют металлические несущие слои осесимметрич-ной формы (рис. 1). Их изготовление осуществляется из отдельных обшивок на обтяжных прессах с последующим соединением в сборочном приспособлении методом клепки с получением осесимметричной оболочки [1, 2, 3, 4]. Как правило, в оболочке в зависимости от геометрической формы содержатся четыре-шесть обшивок. Таким образом, обеспечиваются прочностные характеристики оболочки.
Однако следует отметить, что для решения вопросов по шумоглушению две оболочки имеют перфорацию, которая отсутствует в зоне стыка обшивок.
Проведенные акустические испытания показали, что в зоне стыка обшивок по длине ка-
нала возникают скачки колебаний акустического сопротивления - импеданс, влияющие на акустическую эффективность канала воздухозаборника самолета.
Рис. 1. Сечение канала воздухозаборника: 1 - наружная осесимметричная оболочка из сплошных обшивок;
2 - средняя осесимметричная оболочка из перфорированных обшивок; 3 - внутренняя осесимметричная оболочка из перфорированных обшивок; 4 - накладка; 5 - обшивка
Постановка задачи
Задачу возникающих скачков импеданса можно решить разработкой осесимметричной оболочки, не имеющей стыков.
Цель работы - исследование процесса формообразования осесимметричных оболочек, разработка методики процесса формообразования оболочек.
© Максименков В.И., Молод М.В., Федосеев В.И., 2020
Устройство для формообразования осесимметричных оболочек
Для изготовления осесимметричных оболочек наибольшее распространение получили станки ПКД [4]. Процесс формообразования на станке осуществляется пуансоном, состоящим из отдельных секторов. При данном методе формообразования оболочки в зоне зазоров между секторами на заготовке возникают отпечатки, которые недопустимы для тонколистовых деталей.
Для изготовления осесимметричных оболочек, не имеющих отпечатков на поверхности заготовки, разработано устройство (рис. 2) [5], обеспечивающее процесс формообразования из заготовки цилиндрической формы радиусом R заданной двойной кривизны Rк.
Рис. 2. Схема устройства: 1 - пуансон; 2 - эластичная вставка; 3 - опорная плита 4 - прижимная плита;
5 - колонка; 6 - крышка; 7 - заготовка; 8 - стол пресса
Конструкция устройства выполнена таким образом, что эластичная вставка, охватывающая пуансон радиусом Rп, имеет криволинейную вогнутую форму R. При перемещении пуансона в вертикальном направлении эластичная вставка осуществляет формообразование заготовки до заданных геометрических размеров.
На рис. 3 представлена эластичная вставка для формообразования оболочки.
Рис. 3. Эластичная вставка: 1 - эластичная вставка; 2 - горизонтальные спиралеобразные пружины; 3 - вертикальные спиралеобразные пружины
Эластичная вставка представляет собой формующий инструмент, выполненный из твердой резины или полиуретана. При применении твердой резины используется армирующая арматура в виде спиралеобразных пружин в вертикальном и горизонтальном исполнениях. Применение спиралеобразных пружин повышает жесткость вставки.
Между геометрическими размерами устройства и эластичной вставкой имеет место зависимость (1):
Кнар - Rн = Кп - R , (1)
где Кнар - радиус наружный эластичной
вставки;
Кн - радиус заготовки;
Кп - радиус пуансона;
К - радиус внутренней поверхности пуансона.
При формообразовании наружная эластичной вставки переходит в выпуклую форму, при этом внутренняя сторона вставки займет вертикальное положение на цилиндрической части пуансона.
Определение напряженно-деформированного состояния оболочки
Принимаем граничные условия:
1. Стороны цилиндрической заготовки не закреплены.
2. Нагрузка, прикладываемая со стороны эластичного пуансона, равномерно-распределенная.
3. Напряженно-деформированное состояние оболочки - двухосное.
4. Силы внешнего трения между эластичной вставкой и пуансоном с заготовкой не учитываются.
В процессе формообразования оболочки возникают тангенциальные, меридиональные и радиальные деформации (рис. 4) [4].
Рис. 4. Схема напряженно-деформированного состояния при формообразовании оболочки из цилиндрической заготовки
Тангенциальная деформация s1 определяется (2):
si= (RK- RH)/ RH, (2)
где RK - радиус заготовки после формообразования.
Тангенциальная деформация s1 является определяющей при расчете технологии изготовления оболочек. Ее величина, как правило, сравнивается с величиной относительного удлинения материала заготовки 5.
Меридиональная деформация s2 определяется (3):
S2= (LK- L)/ L, (3)
где Lн - длина заготовки до формообразования;
Ьк - длина заготовки после формообразования.
Учитывая, что концы заготовки не закреплены, можно считать, что деформация в меридиональном направлении является равномерной.
Радиальная деформация s3 определяется (4): S3= (Si/S0)-1, (4)
где s0 - толщина заготовки;
Si - толщина заготовки после формообразования, вычисляется по формуле (5):
Si= So-(RH- L/ RK- LK). (5) Для определения меридиональных о2 и тангенциальных напряжений о1 приведено уравнение Лапласа (6):
01/R1+ G2/R2=q/Si, (6)
где R1 - радиус поперечной кривизны; R2 - радиус продольной кривизны. Значение напряжения определяется (7):
01=0s+n-S1, (7)
где П - модуль упрочнения.
Приняв R2=®, величина q составляет (8):
q=(as/R0Si . (8)
Значение меридиональных напряжений о2 определяется по зависимости (6).
Полученные зависимости позволяют разработать методику технологического процесса формообразования осесимметричной оболочки.
Методика разработки технологического процесса формообразования осесимметричной оболочки
1. Проведение механических испытаний образцов сплошных и перфорированных с записью диаграмм o-s и определением значений предела текучести oS, модуля упрочнения П и относительного удлинения а.
2. Изготовление цилиндрической оболочки из Д16Т: радиус оболочки Rн=500мм; высота оболочки Ьн=1000мм; толщина материала
заготовки s0=1мм; максимальная деформация заготовки 81=10%; после формообразования радиус оболочки Rк=550мм.
3. Определение геометрических параметров пуансона: радиус пуансона Rп=400мм; определение радиуса вогнутой образующей пуансона по зависимости (9):
К = . (9)
4. С учетом геометрических размеров заготовки, пуансона и устройства для формообразования оболочки определяются размеры эластичной вставки.
5. Выбор геометрических размеров эластичной вставки для проектирования пресс-формы с учетом радиуса вогнутой образующей поверхности пуансона.
6. Определение характера деформаций и напряжений, возникающих в процессе формообразования оболочки, по вышеприведенным зависимостям.
Параметры процесса формообразования приведены в таблице.
Парамет
щ процесса формообразования
S0 Ьп Rn R1 R2 Rn si R. 01 02 q Os П s1 а
мм МПа % -
- 1000 0 0 0 m 1200 0 о сл <о 0 ич ич о (N 0 2 <о 0 00 0 о m 0 \D
Приведенная методика позволяет осуществлять разработку технологического процесса формообразования осесимметричной оболочки из сплошной и перфорированной заготовок.
Выводы
1. Разработана конструкция устройства для формообразования осесимметричных оболочек, позволяющая получать детали без стыков, обеспечивая повышение акустических характеристик канала воздухозаборника самолета.
2. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния процесса формообразования осесимметричной оболочки, позволяющий определить параметры устройства для формообразования и разрабатывать технологию изготовления осесимметричной оболочки.
3. Разработана методика технологии изготовления осесимметричной оболочки, позволяющая осуществлять расчет формующего инструмента и определять параметры процесса формообразования.
Литература
1. Максименков В.И., Молод М.В., Федосеев В.И. Направления повышения эффективности двухслойных сотовых конструкций для канала воздухозаборника самолета // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 6. С. 86-89.
2. Максименков В.И., Молод М.В., Федосеев В.И. Метод повышения качества обшивок самолета // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 5. С. 138-142.
Поступила 24.05.2020; п
3. Максименков В.И., Молод М.В., Федосеев В.И. Формообразующие технологии для изготовления кожухов шумоглушения турбореактивного двигателя // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. Т. 17. № 3. С. 167-174.
4. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1970. 351 с.
5. А.с. 1218545 СССР, МПК В2Ш 22/10. Инструмент для листовой штамповки / В.С. Гусев, В.И. Макси-менков (СССР). Опубл. 1984.
к публикации 21.08.2020
Информация об авторах
Максименков Владимир Иванович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: maksimenkov.v.i@mail.ru
Молод Марина Владиславовна - д-р техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: molodmv@yandex.ru
Федосеев Владислав Игоревич - ведущий инженер-конструктор, филиал ПАО «Корпорация «Иркут» (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: vladislav.f@inbox.ru
IMPROVING THE QUALITY OF THE AIRCRAFT AIR INTAKE AXISYMMETRIC CHANNEL
SHELLS
V.I. Maksimenkov1, M.V. Molod1, V.I. Fedoseev2
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Branch of "Corporation" Irkut ", Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses the necessity to develop axisymmetric shells for the air intake channel of the aircraft, identified in the course of acoustic tests. It was found that the existing equipment does not provide the process of forming thin-sheet shells to the required quality due to the appearance of prints from sectors. The purpose of the research is defined. A device design was developed that allows one to achieve the specified geometry of the detail using elastic insert. The form of an elastic insert and the materials used for its manufacture are considered. The process of shell formation is considered. The stress-strain state of the shell is analyzed. Dependencies for calculating tangential, radial, and meridional deformations are given. The stresses arising in the forming zone are considered, which allowed us to consider the stress-strain state of the shell as flat. The value of the specific pressure in the elastic insert zone is determined. The method of manufacturing axisymmetric shell is developed
Key words: device, shaping, axisymmetric shell, elastic insert, deformations, stresses
References
1. Maksimenkov V.I., Molod M.V., Fedoseev V.I. "Directions for improving the efficiency of two-layer honeycomb structures for the air intake channel of an aircraft", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol.13, no. 6, pp. 86-89
2. Maksimenkov V.I., Molod M.V., Fedoseev V.I. "The method for improving the quality of aircraft skin", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2018, vol. 14, no. 5, pp. 138-142.
3. Maksimenkov V.I., Molod M.V., Fedoseev V.I. "Forming technologies for the manufacture of turbojet engine noise reduction casings", Bulletin of Samara University. Aerospace Engineering, Technology and Mechanical Engineering (Vestnik Samarskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika, tekhnologii i mashinostroenie), 2018, vol. 17, no. 3, pp. 167-174
4. Gorbunov M.N. "Technology of procurement and stamping works in the production of aircraft" ("Technologiya zagotovitelno-shtampovochnykh rabot v proizvodstve letatelnyh apparatov"), Moscow, Mashinostroenie, 1970, 351 p.
5. Gusev V.S., Maksimenkov V.I. "Tool for sheet metal forming" ("Instrument dlya listovoy shtampovki"), certificate of authorship no. 1218545 USSR, MPK B21D 22/10, publ. 1984
Submitted 24.05.2020; revised 21.08.2020 Information about the authors
Vladimir I. Maksimenkov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail:maksimenkov.v.i@mail.ru
Мarina V. Molod, Dr. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: molodmv@yandex.ru
Vladislav I. Fedoseev, Lead Engineering Designer, Public Company «Corporation «Irkut» (27 Tsiolkovskogo str., Voronezh 394029, Russia), e-mail:vladislav.f@inbox.ru
