CC BY
59
Том ХХ//
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ /99/
№ 1
УДК 629.7.015.4.023 : 62 — 419.8
ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРИНЦИПА «ПАССИВНОГО» УПРАВЛЕНИЯ УПРУГИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Е. К. Липин. В. Е. Теняева
Изложены результаты проектировочных нсследованнй рациональных конструктнвно-силовых схем переднего горнзонтального оперення. Варьированием мощности монослоев и ориентацией пакета композиционного материала обеспечивается управление упругими деформациями конструкции.
Среди требований, предъявляемых к перспективным маневренным самолетам, указывается, в частности, необходимость обеспечения высокой маневренности, уменьшения относительной толщины несущих поверхностей, а также необходимость все более широкого использования композиционных материалов (КМ) в целях повышения весового совершенства конструкции. Это ведет к увеличению гибкости агрегатов самолета и обострению проблем азроупругости. В то же время применение КМ расширяет возможности «пассивного» управления упругими характеристиками конструкции для удовлетворения требований аэроупругости*.
В данной статье на примере проектирования переднего горизонтального оперения (ПГО) по условиям прочности и жесткости показана возможность создания конструкции минимальной массы, деформации которой будут удовлетворять дополнительным требованиям.
В конструкцию ПГО могут входить массивиый узел навески — ось вращения и несущие слои обшивки, которые в силу небольшой относительной толщины профиля связываются сотовым заполнителем. Наличие оси вращения создает неоднородные условия закрепления такой конструкции. Сравнение результатов расчета нормальных напряжений в несущих слоях обшивки для металлического варианта ПГО, полученных методом конечных элементов и по теории тонкостенных балок, показали хорошую сходимость лишь для сечения концевой части (О,5 г^1). В корневой части пГО (О:; 0,5) разница в напряжениях достигает зна-
чительных величин. Поэтому в качестве расчетной модели ПГО доя решения задач проектирования используются расчетные схемы метода конечных элементов. .
В работе рассмотрены два варианта проектирования, отличающиеся степенью гибкости конструкции ПГО.
Конструкция ЯГО максимальной жесткости. Поиск рационального металлического варианта конструктивно-силовой схемы (КСС) переднего горизонтального оперения производился на основе сравнительного анализа массы силового материала и жесткости, оцениваемой по максимальным прогибам в характерных сечениях, для различных вариантов равнопрочных конструкций, Из рассмотренных вариантов КСС (рис. 1) минимумом массы обладают однолонжеронная схема с изломом лонжерона в корневой части ПГО. Установка веерообразно расположенных лонжеронов в корневой части существенно увеличивает жесткостные характеристики ПГО (до 30%). Кроме того, многолонжеронная КСС оперения обеспечивает резервирование путей передачи внутренних усилий в конструкции, повышая тем самым эксплуатационную живучесть.
Следует отметить, что рассмотренные варианты КСС оперения, отличаясь массой материала и прогибами, имеют практически одинаковый угол закручивания концевого сечения.
• Б р а у н А. Конструкционные материалы для истребителя ATF. Перевод с английского Б. Б. Рыбака.- Аэрокосмическая техника. 1987. № 9.
ы0
Ja^(z=/)=coдs^
Рис. 1
Дополиительные расчетные исследования по оптимнзации распределения материала в много-лонжероиной схеме ПГО с веерообразным расположением лонжеронов (рис. 2, а) и в конструкции ПГО с несущей обшивкой без лонжеронов показали, что, несмотря на существенные различия-в массах силового материала,обе схемы также имеют практически одинаковые углы закручивания.
С целью формирования способов управления жесткостными характеристиками ■ и анализа весовой эффективности конструкции ПГО проводились расчеты многолонжеронного ПГО и ПГО с иесущей обшивкой, силовые элементы которых выполнялись из композиционного материала КМУ-4Э с процентным содержанием монослоев в обшивке и стенках лонжеронов О (10%), 90°(10%), ±45°(8О%). в принятом пакете КМ обшивки 90°-й слой ориентировался в направленин лонжерона № 12 (рис. 2, а). Процентное содержание слоев в пакете км определялось требованием максимизации жесткости конструкции ПГО на кручение и уменьшением упругих связей между изгибом и кручением, так как в этом случае изгиб воспринимается лонжеронами, а кручение обшивкой, Прочность композиционного пакета при оптимизации оценивалось по критерию Нориса-Цая
где 0'|. 0'2. т — действующие нормальные1 и касательные напряжения в осях ■ ортотропии, а1В,■ оод, ТВ — допустимые нормальные и касательные напряжения в осях ортотропии.
В результате получен композиционный вариант многолонжеронного ПГО, который имеет массу материала, меньшую на ~25% по сравнению с металлической многолонжеронной конструкцией. Причем данный вариант имеет также массу,на ~ЗО% меньшую, чем конструкция ПГО только с несущей обшивкой из КМ при одинаковых углах закручивания концевого сечения. Однако практическая реализация многолонжеронной схемы из-за большого количества лонжеронов (в данном случае 19) затруднена.
В результате оптимизации многолоижеронной схемы без ограничений на минимальную площадь поперечиого сечения поясов и толщину стенок силовых элементов получено, что наиболее нагруженными являются три лонжерона—№№ 8, 12, 13 (рис. 2,6). По сравнению с однолонжеронной схемой трехлонжеронная схема ПГО имеет' .
закручивания концевого сечения и масса трехлонжеронной схемы незначительно (^2%) отличаются от этих параметров оптимальной по условиям равнопрочности многолонжеронной схемы. При этом следует отметить, что вариант однолонжеронного ПГО имеет большие концевые прогибы и углы закручиваиия.
Гибкое ЯГО. Результаты исследований, приведенные в предыдущем разделе, показывают, что расположение лонжеронов в многолонжеронной схеме . оказывает незначительное влияние на угол закручивания ПГО. Поэтому для управления углом' закручивания необходимо создавать в его конструкции дополнительные упругие связи, которые могут ■ быть реализованы выбором структуры и мощности монослоев в многослойном пакете композиционных материалов. Именно одно-лонжеронная схема ПГО может быть использована в качестве гибкой конструкции, в которой за счет выбора ориентации лонжерона и слоев КМ в обшивке обеспечиваются требуемые отрицательные углы закручивания при заданных режимах полета.
Для выбора ориентации лонжерона, обеспечивающей максимальный угол закручивания концевого сечения ПГО, решалась задача оптимизации распределения материала в лонжеронах и композиционной обшивке с фиксированной ориентацией и мощностью монослоев в пакете КМ О( 10%). ±45°(80%). 90°(10%) для различных положений лонжерона. Согласно полученным
.кщ 13
Н,АЪ,
1,0
0.5
г ЪГц д" 2. ьг =_—*-1 — СР 2 О О 1*4 О ЧГ*
ту 'ТгО
X' у-угол ориентации луча 1 II III
п 13 12 I I I 11 10 3 I I I
1(.0° 50° 60° 70° 80° 90°
Рис. 3
В)
Рис. 2
результатам (рис. 3) однолонжеронная схема ПГО с ориентацией лонжерона под углом «р я 60° (луч № 12) к оси х имеет наименьшую массу и наибольшую гибкость, оцениваемую углом закручивания поточных сечений "'<\. При этом изгибная жесткость полученного' варианта ПГО,
* / гг’кп+а,кз'\
оцениваемая по среднему концевому прогибу (иСр = ..—1 имеет минимальиое значение.
В рамках выбранной однолонжеронной конструкции ПГО как КСС, обладающей наибольшей гибкостью при фиксированной ориентации и мощности монослоев в пакете КМ, рассмотрено влияние изменений параметров пакета КМ в обшивке на массу и углы закручивания поточных сечений конструкции ПГО.
На рис. 4 представлены результаты варьирования ориентацией пакета КМ в обшивке ПГО относительио бортовой нервюры (или оси х) на массу конструкции М и углы закручивания поточных сечений Аак при оптимизации распределения силового материала по критерию равно-прочности для двух вариантов распределения мощности монослоев в пакете КМ:
1 вари'1нт — О (10%), ±45° (80%), 90° (10%) (рис.4,а),
2 вариаит - О (40%), ±45° (20%), 90° (40%) (рис. 4, б).
При этом увеличение содержания нулевого слоя в пакете КМ вводится для того, чтобы обеспечить высокие жесткостные характеристики на изгиб поперечных сечений корневой части ПГО, где могут иметь место значительные искажения их контура. Отличие данных вариантов из КМ заключается в том, что по отношению к жесткости на кручение они имеют наибольшую и наименьшую жесткости на кручение поперечных сечений относительно продольной оси, ориентированной в направлении 90°-го монослоя КМ. Согласно полученным данным (рис. 4, а) многослойный пакет КМ в обшивке с параметрами 0(10%), ±45° (80%), 90° (10%) и ориентацией 9О°-го слоя в направлении оси г имеет минимальную массу материала и наименьший угол закручивания поточных сечений. В случае же многослойного пакета КМ в обшивке с параметрами 0(40%), ±45°(20%), 90°(40%), уменьшающими жесткость на кручение, конструкция ПГО при ориентации 90°-го слоя в направлении оси г имеет максимальные углы закру-
чивания поточных сечений (рис. 4, б), причем масса материала остается практически неизменной по сравнению с конструкцией, имеющей параметры пакета КМ О (10%), ±45° (80%), 90° (10%).
При этом различие в массе силового материала конструкции жесткого и гибкого вариантов
ПГО составляет- менее 5%, а углы закручиваиия концевых сечений отличаются в 1,65 раза.
Согласно расчетам упругого самолета схемы «утка» для обеспечения требуемого запаса статической устойчивости были найдены значения, ограничивающие угол поворота концевого сечения ПГО величиной Да,. <: — 10°.
Полученный вариант конструкции гибкого ПГО однолонжеронной схемы позволяет иаилучшим образом по критерию наименьшей массы удовлетворить этому требованию. Кроме того, обшивка данной конструкции ПГО оказалась наиболее простой в технологическом исполиении, так как зиа-чительная часть ее в результате оптимизации по критерию равнопрочности приняла минимально допустимые по конструктивным ограничениям значения (б= бт^). Недостатком даииой конструкцин является резкое возрастание площади поперечного сечения пояса и толщины стенки лонжерона в корневой части ПГО, обусловленное передачей нагрузок с ПГО на шпангоут фюзеляжа только через ось вращения. Для уменьшения параметров поперечных сечеиий лонжерона из КМ можно воспользоваться материалом с более высоким модулем упругости. Параметры лонжероиа определяются из условий ■ неизменности усилий и деформаций в поясе и стенке
= 0'1, £,.« **.«/,.» = Ее/, е,.м = 8,
ш К. М ш Ец и
/ = ^^/К». б = ^^б ,
Е К.М’ Е К.М’
где О'к м, ек м, Екм, Гкм, бк м— иормальное напряжение, деформация, модуль упругости, пло-
щадь поперечного сечения полок и толщина стенок лонжерона для КМ; а . ? . Е, F, 6 — аналогичные параметры для стали.
Использование высокопрочной стали в корневой части лонжерона может обеспечить уменьшение параметров его поперечных сечений примерно вдвое. Однако при этом уменьшится выигрыш в массе за счет применения КМ. Так, например, в случае комбинированного лонжерона (О г 0,3 — сталь, 0,3 г 1 — КМ) выигрыш в массе по сравнению с металлическим вариантом ПГО составит ~18%, в отличие от выигрыша в массе ~35% для полностью композиционной конструкции ПГО.
В результате проведенных исследований показано, что минимальное влияние упругостн на изменение аэродинамических нагрузок обеспечивает многолонжеронная схема ПГО, обшивка и силовые элементы которой выполнены из КМ с процентным содержание монослоев 0(10%), ±45°(80%), 90°(10%) и ориентацией 90°-го слоя под углом 60° к бортовой нервюре. Данная конструкция имеет значительный выигрыш в массе материала по сравнению с другими рассмотренными вариантами ПГО, удовлетворяет требованиям статической прочности и при этом повышает характеристики эксплуатационной живучести за счет резервирования дополнительных путей передачи внутренних усилий в. конструкции. Однако в связи с тем, что схема ПГО с большим количеством лонжеронов не может быть реализована практически, в качестве рациональной
комендована трехлонжеронная компознционная конструкция ПГО (рис. 2, б), угол закручивания и масса которой незначительно (~2%) отличаются от этих параметров многолонжеронной схемы. Максимальное влияние упругости конструкции на изменение аэродинамических нагрузок при удовлетворении требований прочности с минимальной массой материала реализуется в однолонжеронной конструктнвно-силовой схеме ПГО, имеющей (рис. 2,8) комбинированный лонжерон и ком-познционную обшивку с параметрами монослоев 0(40%) ±45°(20%), 90°(40%) и ориентацией 9О°-го слоя перпендикулярно бортовой нервюре.
Рукопись поступила 1 /XII /989 г.
