CC BY
105
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность, поддержание летной годности ВС
№ 103
УДК 629.7.018.025
ТИПИЗИРОВАННАЯ ПРОГРАММА НАГРУЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ КРЫЛА РЕГИОНАЛЬНОГО ТРАНСПОРТНОГО САМОЛЕТА
В.Е. СТРИЖИУС
По заказу редакционной коллегии. Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В.С.
На основе анализа и обобщения основных методических положений разработана типизированная квазислу-чайная программа "ИСКРА-50" ("ИСпытания КРыла-50"), моделирующая предварительные условия нагружения в эксплуатации корневой зоны крыла отечественного регионального транспортного самолета с взлетным весом 0взл=40-60 тс.
1. Введение
При разработке программы ставились следующие задачи:
создание программы, моделирующей осредненные условия эксплуатационного нагружения корневой зоны крыла отечественного регионального транспортного самолета с взлетным весом Овзл = 40-60 тс и пригодной для сравнительных оценок характеристик усталости и трещиностойкости материалов и конструктивных элементов крыльев таких самолетов на этапе выбора конструкционных материалов, конструктивно-технологических решений и проектирования самолетов такого класса;
создание программы, которая может быть использована в качестве базовой программы для создания эффективного банка данных экспериментальных результатов по испытаниям на усталость образцов и конструктивных элементов крыльев отечественных транспортных самолетов с взлетным весом Овзл = 40-60 тс;
создание программы, способной служить определенной базой для разработки квазислучайных программ натурных ресурсных испытаний конкретных самолетов рассматриваемой группы;
создание программы, способной служить определенной базой для сравнения различных программ ресурсных испытаний различных отечественных и зарубежных самолетов (в первую очередь самолетов из рассматриваемой группы с Овзл = 40-60 тс).
При этом следует отметить следующее:
1. Целью разработки такой программы не является создание программы, непосредственно пригодной для натурных ресурсных испытаний крыла какого-либо конкретного самолета или группы самолетов.
2. Очевидно также, что в группе транспортных самолетов с Овзл = 40-60 тс могут находиться отдельные самолеты, для которых разрабатываемая программа будет явно непригодна. К таким самолетам относятся, как правило, военно-транспортные самолеты с широким диапазоном параметров эксплуатации, имеющие большое число "типовых" полетов с различными значениями Овзл, Оком.нагруз. и т.п.
2. Сравнение спектров приращений перегрузок в центре тяжести самолетов
Для разработки типизированной последовательности нагрузок, которая могла бы рассматриваться в качестве представительной последовательности эксплуатационных нагрузок
в зоне корневых сечений крыла отечественного регионального самолета с взлетным весом Овзл = 40-60 тс, рассмотрены спектры приращений перегрузок в ц.т. четырех самолетов. Все эти самолеты относятся к транспортной категории и включают в себя гражданские пассажирские самолеты Ил-18В, Як-42, Ту-134 и проектируемый в настоящее время российский региональный самолет КШ-95ЬК Указанные самолеты охватывают достаточно широкие диапазоны весов, удельных нагрузок на крыло, крейсерских скоростей и дальностей полета (см. табл.1). Выбор спектров именно этих самолетов для разработки типизированной последовательности нагрузок обусловлен следующими причинами:
Таблица 1
Основные данные рассматриваемых самолетов
Тип самолета Свзл.макс. (тс) Удел. нагрузка на крыло (кгс/м2) Крейсерская скорость (км/час) Максимальная дальность (км) Расположение главного шасси
Ил-18В 61.2 437.1 650 5000 Корень крыла
Як-42 52 346.7 820 1850 Корень крыла
Ту-134 47.6 373.9 880 2020 Корень крыла
RRJ-95LR 45.58 542.3 860 2778 Корень крыла
1. Взлетные веса рассмотренных самолетов удовлетворяют поставленному условию: Овзл = 40-60 тс.
2. Самолеты Ил-18В, Як-42 и Ту-134 имеют достаточно обоснованные, замеренные в летном эксперименте спектры приращений перегрузок в ц.т. самолетов - см. рис. 1 (использованы данные работ [2-3], а также данные Алакоза А.В., Райхера В.Л., Цымбалюка В.И. и др. (ЦАГИ)).
3. Самолет RRJ-95LR имеет достаточно обоснованные расчетные спектры приращений перегрузок в ц.т. самолета (см. рис.1).
С целью получения возможности сравнения все спектры были приведены к единой базе 50000 полетов, которую можно принять в качестве проектного ресурса современного отечественного регионального транспортного самолета с взлетным весом Овзл = 40-60 тс.
Для большей ясности на рис. 1 показаны только положительные ветви спектров.
С целью сравнения со спектрами приращений вертикальных перегрузок в ц.т. самолетов Ил-18В, Як-42, Ту-134 и RRJ-95LR на рис.1 приведены соответствующие спектры самолетов Ан-24 (Овзл = 21 тс.) и Boeing-737-400 (Овзл = 64.9 тс.).
Анализируя представленные на рис.1 спектры, можно сделать следующие выводы:
1. Различия между спектрами приращений вертикальных перегрузок в ц.т. самолетов Ил-18В, Як-42, Ту-134, Ан-24, Boeing-737-400 относительно невелики.
2. Расчетные спектры приращений вертикальных перегрузок в ц.т. самолета RRJ-95LR значительно отличаются ("тяжелее") от спектров приращений вертикальных перегрузок в ц.т. самолетов Ил-18В, Як-42, Ту-134, Ан-24 и Boeing-737-400.
3. Представляется наиболее оправданным получить типизированный спектр приращений вертикальных перегрузок для рассматриваемой группы самолетов (современные отечественные региональные транспортные самолеты с взлетным весом Овзл = 40-60 тс) осреднением спектров приращений вертикальных перегрузок в ц.т. самолетов Як-42 и Ту-134.
3. Получение типизированного спектра нагрузок
Типизированный спектр приращений перегрузок на воздушном этапе получен путем усреднения кривых на рис.1, соответствующих спектрам самолетов Як-42 и Ту-134 (рис. 1).
1,00Е + 09
1,00Е + 08
1,00Е + 07
1,00Е + 06
1,00Е + 05
со
о
н
ш
с;
о
с
§ 1,00Е + 04 о о ю
(О
«
л
н
и
О
| 1,00Е + 03
&
о
Ё
о
с
1,00Е + 02
1 ,00Е+01
1 ,00Е+00
1, 00Е-01
1,00Е-02
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60
Приращение перегрузки п у
Рис. 1. Интегральная повторяемость приращений нагрузки пу в ц.т. самолетов Ан-24, Ил-18, Як-42, Ту-134, КШ-95ЬК Боет§-737-400 (на воздушном режиме за 50000 полетов)
На основе сравнительного анализа спектров нагрузок воздушного этапа на крылья отечественных транспортных самолетов и спектров приращений перегрузок в ц. т. таких самолетов, для корневых сечений крыльев отечественных транспортных самолетов можно принять следующие допущения:
1. Для нагрузок от атмосферной турбулентности, составляющих для транспортного самолета основную часть нагрузок воздушного этапа, передаточные коэффициенты
„ DMизг/Мизгг.п. До/ Оm
K —---------------—--------
Дпу Дпу
принимают значения, близкие к 1.0.
Как показывает анализ известных значений передаточных коэффициентов различных самолетов из группы самолетов с взлетным весом Овзл = 40-60 тс, это допущение может считаться справедливым для корневых сечений крыльев преобладающего большинства самолетов из этой группы, имеющих "типовую" динамичность крыла.
С большей вероятностью аналогичное допущение можно сделать и для маневренных нагрузок, составляющих вторую часть нагрузок воздушного этапа.
2. Повторяемость пиков всегда "тяжелее" повторяемости амплитуд, поэтому в запас прочности в качестве спектра Ма изг (оа) может быть принят спектр ДМизг (До).
Принимая перечисленные допущения в настоящей статье, можно утверждать, что приведенный на рис. 1 типизированный спектр приращений перегрузок Дпу можно представить как типизированный спектр относительных напряжений оа=оа/от на воздушном этапе полета для корневых сечений крыльев отечественных региональных транспортных самолетов с взлетным весом Овзл = 40-60 тс.
Для спектра наземных нагрузок очевидно, что напряжения в корне крыла, связанные с наземным этапом полета, будут существенно зависеть от расположения шасси самолета и веса крыла, включая вес двигателей и топлива.
В качестве "типичной" величины для среднего напряжения наземного этапа на основе данных, представленных в табл.2, выбрана величина ост/от = -0.35. На основе анализа данных табл.2 можно утверждать, что такая величина соответствует следующей конфигурации современного отечественного транспортного самолета: с 2-мя двигателями, расположенными на крыле; с основными шасси, расположенными на крыле ( z = 0.2-0.3).
Таблица 2
Значения Мст/Мгп. для корневой зоны крыльев рассматриваемых самолетов
Тип самолета Мст/Мг.п.
Ил-18В »-0.50
Як-42 »-0.35
Ту-134 »-0.20
RRJ-95LR »-0.35
В качестве типизированного спектра наземных нагрузок в настоящей работе использован спектр, полученный в ЦАГИ как спектр наземных нагрузок самолетов семейства ЯЮ.
Полученный в результате описанных выше процедур типизированный спектр нагрузок разрабатываемой программы "ИСКРА-50" приведен: в численном виде в табл.3, в графическом виде - на рис. 2.
Повторяемость за 50000 полетов
Приращение относительных напряжений аа/ост
Рис. 2. Интегральная повторяемость приращений относительно напряжений от наземных нагрузок для корневой зоны крыла самолета КЯ1-95ЬЯ
Таблица 3
Интегральные характеристики приращений перегрузок программы "ИСКРА-50"
(цикл/полет) Айу, воздух Апу, земля
0.0002 1.200 0.740
0.002 0.845 0.630
0.02 0.625 0.520
0.2 0.430 0.405
2.0 0.270 0.295
20.0 0.100 0.185
4. Преобразование типизированного спектра в программу испытаний
Для проведения испытаний необходимо преобразовать типизированный спектр, определенный в предыдущем разделе, в программу испытаний. С этой целью необходимо: преобразовать непрерывный спектр в ступенчатый; определить объем одного программного блока полетов.
По причине необходимости ограничения количества реализуемых при испытаниях различных амплитуд нагрузок, непрерывный спектр нагрузок должен быть преобразован в ступенчатый. Ступенчатый спектр существенно упрощает систему управления нагружением испытательной установки.
Для преобразования непрерывного спектра в ступенчатый необходимо определить: количество ступеней нагружения;
величины экстремальных нагрузок (максимальной на воздушном этапе и минимальной на наземном этапе);
величины наименьших амплитуд на воздушном и наземном этапах.
Что касается количества ступеней, то для базовой типизированной программы принимается десять различных уровней нагрузок на воздушном и наземном этапах. По данным работ [1, 4] такое количество уровней нагрузок позволит получить достаточно точную аппроксимацию непрерывного спектра нагрузок.
Выбор экстремальных нагрузок, которые должны быть реализованы при испытаниях, имеет чрезвычайно важное значение, поскольку создаваемые высокими нагрузками остаточные напряжения могут оказывать значительное влияние на усталостные характеристики элементов авиационных конструкций. Как отмечается в работах [4, 5], любой выбор в этом отношении будет, в конце концов, носить произвольный характер, тем не менее, в этих работах признается целесообразным в программе испытаний в качестве экстремального уровня нагрузки принимать нагрузку, которая, как можно ожидать, встретится по крайней мере несколько раз для подавляющего большинства всех самолетов парка. В качестве такой нагрузки в той же работе предлагается нагрузка, которая встречается 10 раз за проектный ресурс самолета. Признавая такой подход достаточно взвешенным, усечение рассматриваемого типизированного спектра также предлагается производить на уровне нагрузок, которые встречаются 10 раз за 50000 полетов (предполагаемый проектный ресурс современного отечественного регионального транспортного самолета с взлетным весом Овзл = 40-60 тс). Данный уровень соответствует следующим значениям экстремальных нагрузок: о/ош = 2.20 для воздушного этапа и
о/Сст = 1.74 для наземного этапа.
Определенную трудность представляет также выбор наименьших амплитуд нагрузок. Поскольку такой выбор в значительной степени определяет полное число циклов нагружения в программе испытаний, окончательный выбор, как правило, представляет определенный
компромисс. В настоящей статье выбор наименьших амплитуд нагрузок сделан на основе следующих положений:
1. Как показывают результаты отечественных и зарубежных [5] исследователей, циклическое нагружение с амплитудами аа<7.5МПа и повторяемостью более 2000 за 1000 полетов практически не оказывает влияние на рост усталостных трещин в элементах авиаконструкций. Поскольку влияние циклического нагружения с малой амплитудой на этапе зарождения трещины является существенно меньшим, данный вывод может рассматриваться консервативным с точки зрения полной усталостной долговечности.
2. Принимая диапазон средних напряжений горизонтального полета в нижних панелях корневой зоны крыльев современных региональных транспортных самолетов ош = 60-65 МПа, можно утверждать, что относительные амплитуды аа=аа/ат<7.5/63=0.120 практически не оказывают влияния на повреждаемости спектров воздушных нагрузок. Именно такой уровень усечения малых нагрузок и был выбран при преобразовании исходного типизированного спектра воздушных нагрузок в ступенчатый спектр испытаний.
3. Как отмечено выше, для рассматриваемых в настоящей статье самолетов принято: 0ст/0т = -0.35. При ост » -22 МПа - среднем уровне стояночных напряжений растяжения в верхних панелях корневой зоны крыльев отечественных региональных транспортных самолетов можно утверждать, что относительные амплитуды оа=оа/ост < 7.5/22=0.34 не оказывают влияние на повреждаемость верхних панелей.
Остальные уровни нагрузок были распределены между максимальными и минимальными уровнями равномерно, с постоянным шагом. На основании использования метода "равных треугольников" были определены величины, соответствующие количеству циклов для каждого уровня нагрузки, другими словами, выполнено преобразование непрерывных спектров в ступенчатые.
Для того, чтобы иметь типизированную последовательность нагрузок для испытаний с доступным для современного состояния вычислительной техники объемом памяти, необходимо разделить типизированный спектр для 50000 полетов на ряд эквивалентных "блоков полетов". Поскольку на 50000 полетов приходится 10 повторений максимальной нагрузки, естественным выбором является деление типизированного спектра на 10 "блоков полетов" по 5000 полетов в каждом. Блок из 5000 полетов будет периодически повторяться в испытании.
5. Определение типов полетов
Большое число нагрузок из программного спектра нагружения встречается менее чем один раз за каждый полет. Поэтому при испытаниях по схеме " полет-за-полетом" моделируемые полеты не могут быть эквивалентными по нагруженности. Другими словами, должен быть определен ряд "типов полетов", отличающихся по интенсивности ("тяжести") нагружения. Это условие также может рассматриваться в качестве необходимого условия для получения представительного эксплуатационного моделирования. Очевидно, что нагруженность конструкции самолета в полете существенно меняется в зависимости от метеорологических условий, изменяясь в диапазоне от очень "гладких" полетов в отличную погоду до очень "грубых" полетов в грозовую погоду.
Для разрабатываемой типизированной программы испытаний было определено 10 различных типов полетов, обозначенных в буквенном коде: полет типа "А", полет типа "В", полет типа "С" и т.д. Тип "А" является самым интенсивным по нагруженности полетом, содержащим один цикл нагрузки 1-го уровня, тип "В" также является очень интенсивным по нагруженности полетом, однако в качестве нагрузки, встречающейся один раз за полет, в полете данного типа принята нагрузка 11-го уровня и т.д.
С целью подтверждения физической обоснованности процедуры определения относительной частости этих типов полетов и спектров нагрузок, относящихся к каждому типу, были рассмотрены результаты различных статистических исследований [4, 5]. На основании результатов этих исследований сделаны следующие выводы:
1. Спектры для различных типов полетов имеют приблизительно одинаковую форму.
2. Для рассматриваемых отечественных региональных транспортных самолетов распределение экстремальных значений, соответствующих максимальным за полет нагрузкам, близко к лог-нормальному распределению со стандартным отклонением б = 0.165.
Оставшаяся часть рассматриваемой процедуры, состоит в следующем. Уровень нагрузки аа=аа/от = 120 встречается один раз за 5000 полетов. Эта экстремальная нагрузка таким образом имеет вероятность, равную 0.02%, а распределение экстремальных за полет приращений напряжений со среднеквадратическим отклонением б = 0.165 может быть изображено на лог-нормальной бумаге в виде прямой линии, исходящей из данной точки. Преобразование линейной зависимости 2р-оа/от (2р-квантиль нормированного распределения) в ступенчатую и определение интегральных и дифференциальных частостей полетов разных типов проведено методом "равных треугольников" с учетом выбранных ранее уровней приращения напряжений на воздушном этапе полета.
Далее ступенчатые спектры приращений напряжений, соответствующие полетному блоку, методом проб и ошибок распределяются по типам полетов с целью обеспечения приблизительно одинаковой формы их спектров. Окончательные результаты такого подбора приведены в табл.4-5, где представлены:
относительная частость каждого типа полета;
повторяемость каждого уровня нагрузки внутри каждого типа полета.
Таблица 4
Полетный блок нагрузок программы "ИСКРА-50". Воздушный этап.
Число Номер и величина уровня амплитуды са / ст Полное число
полетов I II III IV V VI VII VIII IX X
Тип в
полета блоке 1.20 1.14 1.02 0.90 0.78 0.66 0.54 0.42 0.30 0.18 циклов за полет
из 5000 полетов Число циклов за полет
А 1 1 0 0 0 2 6 13 30 43 100 195
В 1 1 0 0 1 2 10 20 33 80 147
С 2 1 0 0 1 7 17 27 65 118
Б 7 1 0 0 5 13 23 43 85
Е 22 1 1 4 9 19 39 73
Б 67 1 1 7 16 34 59
а 200 1 4 15 25 45
н 550 1 11 19 31
і 1550 1 14 15
і 2600 9 9
Полное число циклов в блоке 1 1 2 7 25 99 427 2192 12381 64297
Суммарное число циклов в блоке 1 2 4 11 36 135 562 2754 15135 79432
Таблица 5
Полетный блок нагрузок программы "ИСКРА-50". Наземный этап.
Номер и величина уровня амплитуды са / ст Пол-
Тип Число I II III IV V VI VII VIII IX X ное
поле- та полетов в блоке из 0.74 0.725 0.68 0.635 0.59 0.545 0.50 0.455 0.41 0.365 число цик-
5000 пол. Число циклов за полет лов за пол.
А 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 3
В 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 3
С 2 1 0 0 0 0 0 0 0 1
Б 7 1 0 0 0 0 0 0 1
Е 22 1 0 0 0 0 0 1
Б 67 1 0 0 0 0 1
а 200 1 0 0 0 1
н 550 1 0 0 1
I 1550 1 0 1
I 2600 1 1
Полное число циклов в блоке 1 1 4 9 22 67 200 550 1550 2600
Суммарное число циклов в блоке 1 2 6 15 37 104 304 854 2404 5004
Наземные нагрузки: сст —0.35ст
6. Последовательность полетов и нагрузок внутри каждого полета
Типизация должна быть завершена определением последовательности реализации различных полетов в блоках из 5000 полетов и последовательности нагрузок внутри каждого полета. При этом принимаются следующие принципы:
1. Для обеспечения возможности сравнения результатов различных испытаний во всех испытаниях должна прикладываться одна и та же последовательность нагрузок.
2. Полеты внутри блока и нагрузки внутри каждого полета реализуются в случайной последовательности. Нагрузки прикладываются в случайной последовательности полуциклов таким образом, чтобы положительный полуцикл следовал за отрицательным полуциклом произвольной величины.
3. "Скопление" тяжелых полетов рассматривается нежелательным, так как полеты с высокой интенсивностью условных порывов имеют относительно большое влияние на усталость конструктивных элементов крыла, особенно на этапе развития трещин.
4. Для каждого полета определяется своя последовательность нагрузок. Поэтому каждый полет (исключая, конечно, полет типа "I") внутри блока будет иметь отличную от других полетов последовательность нагрузок.
5. Поскольку "блок полетов" разработанной программы состоит из 79432 циклов воздушных нагрузок и 5004 циклов наземных нагрузок, предполагается, что повторение такой же последовательности нагрузок в следующем блоке является несущественным фактором с точки зрения получения случайной реализации нагрузок.
7. Выводы
1. Разработана типизированная квазислучайная программа "ИСКРА-50", моделирующая осредненные условия эксплуатационного нагружения корневой зоны крыла отечественного регионального транспортного самолета с взлетным весом авзл = 40-60 тс.
2. При разработке программы "ИСКРА-50" использованы методы и процедуры, выбранные на основе анализа и обобщения основных методических положений работ [1, 4, 5]. С точки зрения современных представлений об условиях эксплуатационного нагружения корневой зоны крыла отечественного регионального транспортного самолета с взлетным весом авзл = 40-60 тс выбранные методы и процедуры представляются наиболее взвешенными и оптимальными.
3. Программа "ИСКРА-50" может служить:
программой для получения экспериментальных сравнительных оценок характеристик усталости и трещиностойкости материалов и конструктивных элементов крыльев отечественных региональных транспортных самолетов с взлетным весом авзл = 40-60 тс на этапе выбора конструкционных материалов, конструктивно-технологических решений и проектирования самолетов;
программой, которую можно использовать в качестве базовой программы для создания эффективного банка данных экспериментальных результатов по испытаниям на усталость образцов и конструктивных элементов крыльев отечественных транспортных самолетов с взлетным весом авзл = 40-60 тс;
в качестве определенной базы для разработки и основой для сравнения квазислучайных программ натурных ресурсных испытаний конкретных самолетов рассматриваемой группы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Басов В.Н., Нестеренко Г.И., Стрижиус В.Е. Типизированная программа нагружения крыла тяжелого транспортного самолета // Труды ЦАГИ. 2001. Вып. 2642.
2. Дондуков А.Н., Дмитриев В.Г., Рязанов А.Д. и др. Эскизное проектирование самолетов Як-42М и Як-242. - М. : Машиностроение / Машиностроение - Полет, 2000.
3. Француз Т.А. Статистический анализ требований к прочности пассажирского самолета при полете его в турбулентной атмосфере // Труды ЦАГИ. 1985. Вып. 2257.
4. De Jonge J.B., Schutz D., Lowak H., Schijve J. A standardized load sequence for flight simulation tests on transport aircraft wing structures. LBF Bericht FB-106 (NLR 73029U). 1973.
5. Fowler K.R. and Watanabe R.T. Development of jet transport airframe test spectra. This paper was presented at the symposium on development of fatigue loading spectra held in Cincinnati, Ohio, April 29, 1987.
TYPICAL PROGRAM OF THE LOAD OF ELEMENTS OF A DESIGN OF A WING OF THE
REGIONAL TRANSPORT PLANE
Strizhius V.E.
On the basis of the analysis and generalization of the basic methodical positions of works [1, 4, 5] the quasi-random loading program "HCKPA-50", modelling representative loading conditions in operation of a root zone of a wing of the domestic regional transport airplane with Gtake-off = 40-60 t is developed.
Сведения об авторе
Стрижиус Виталий Ефимович, 1951 г.р., окончил ХАИ (1974), кандидат технических наук, главный специалист ЗАО "Гражданские самолеты Сухого", автор 27 научных работ, область научных интересов - усталость элементов авиаконструкций при сложном программном нагружении.
