Регистрация / Вход
Прислать материал

14.628.21.0002

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.628.21.0002
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е.Жуковского"
Название доклада
Проектирование анизогридных композитных конструкций фюзеляжа по условиям устойчивости и закритического деформирования
Докладчик
Фомин Виктор Павлович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель работы: значительное повышение технического уровня авиационных композитных сетчатых конструкций фюзеляжа за счёт снижения веса конструкции фюзеляжа на 12-16% по отношению к существующему уровню весов современных отечественных и зарубежных самолётов.
Задачи работы:
- Поиск областей допустимых значений проектных параметров, для которых возможна безопасная эксплуатация сетчатых композитных конструкций фюзеляжа после потери устойчивости силовых рёбер; диапазон значений проектных параметров на основе требований к геометрии, топологии, технологии и массово-инерционным параметрам конструкции фюзеляжа, сформированных международными авиаперевозчиками для самолётов 2020-2025 годов.
- Разработка метода анализа закритического деформирования сетчатых ребер.
- Разработка «быстрых» методов МКЭ расчета критических нагрузок общей и местной потери устойчивости сетчатого отсека.
- Разработка метода анализа прочности сетчатой конструкции композитных отсеков фюзеляжа с учетом закритического деформирования.
- Разработка эффективного алгоритма предварительного проектирования сетчатых композитных конструкций фюзеляжа с учетом закритического деформирования на основе выполнения требований безопасности.
- Формирование научно-технических результатов по обоснованию возможности снижения веса сетчатого композитного фюзеляжа на 5-7% за счёт изменения режима эксплуатации конструкции композитного фюзеляжа с частичной потерей жёсткости.
- Получение экспериментальных данных по прочности рёбер и фрагментов натурных сетчатых конструкций фюзеляжа для валидации разработанных методов.
Актуальность и новизна исследования
Решение проблем повышения весовой эффективности силовых композитных конструкций до сих пор не может быть реализовано в рамках традиционных конструктивно-силовых схем (КСС). Поэтому наиболее актуальным в настоящее время является поиск «про-композитных» КСС, позволяющих реализовать высокие характеристики удельной прочности композиционных материалов. Наибольшего развития к настоящему времени получили сетчатые конструкции, для которых показана и обоснована возможность снижения на 16-20% веса композитного силового сетчатого каркаса отсеков фюзеляжа, если использовать новые подходы к проектированию с использованием, в том числе, закритического деформирования конструкции.
Новизна исследования обусловлена тем, что проектировочные исследования, проводимые до настоящего времени при практической адаптации сетчатых технологий применительно к композитной конструкции отсеков фюзеляжа для перспективных гражданских самолётов, не допускали нелинейное поведение силовых элементов, приводящее к деградации прочности и жесткости конструкции вплоть до расчетного уровня (150 % от максимальных эксплуатационных нагрузок). Методов решения задачи анализа прочности сетчатого композитного отсека фюзеляжа на стадии закритического деформирования конструкции, пригодных для использования на предварительном этапе проектирования, до сих пор не было создано. Новая методика анализа закритического поведения силовых элементов сетчатого отсека при определённом уровне нагрузок для отдельных режимов полёта, разработанная для применения в проектировочных алгоритмах, может позволить реализовать потенциал дополнительного снижения веса для сетчатого каркаса (оценочно до 5-7 %).
Описание исследования

Предложено решение новой инновационной задачи по использованию допущения закритического деформирования для снижения веса сетчатой композитной конструкции фюзеляжа. Для обеспечения прочности конструкции на этапе предварительного проектирования разработаны оперативные и надежные методы анализа устойчивости и закритического поведения сетчатой конструкции композитного отсека фюзеляжа.

Новый метод анализа прочности сетчатого отсека с учетом закритического деформирования основан на использовании различных подходов к моделированию нелинейных эффектов в рамках линейных (МКЭ) и нелинейных (аналитических) задач. Анализ закритического поведения силовых ребер основан на аналитическом решении задачи нелинейного деформирования ребра с получением коэффициентов, характеризующих снижение параметров эффективной жесткости ребра при сжатии. Это снижение учитывалось в квазилинейном МКЭ расчете общего НДС при нагружении сетчатой конструкции отсека.

В качестве аналитического решения задачи определения НДС ребра использовалось приближенное решение, полученное Р. Мизесом при использовании линеаризации исходного нелинейного дифференциального уравнения равновесия упругой линии ребра с уточнёнными краевыми условиями, учитывающими продольное смещение краёв при изгибе ребра. Для области значений проектных параметров сетчатой конструкции отсека, характерной для конструкций фюзеляжа с диаметром сечения от 3 до 5 м погрешность при использовании этого приближенного решения не превышала 2 % по сравнению с точным решением нелинейной задачи.

Комбинация нелинейного аналитического решения для силовых ребер с квазилинейным МКЭ анализом общего НДС отсека обеспечила значительное сокращение трудоемкости и времени расчетного анализа прочности в рамках проектировочного алгоритма.

Результаты исследования

Получено расчетное обоснование дополнительного снижения веса сетчатой композитной конструкции фюзеляжа на 5-7% за счет использования возможности закритического поведения конструкции при проектировании. Определены области значений проектных параметров сетчатой конструкции композитного отсека фюзеляжа, для которых предлагаемое допущение деградации жесткостных и прочностных свойств не приводит к снижению уровня безопасности эксплуатации конструкции.

Дополнительное снижение веса позволяет увеличит весовую эффективность композитной части силовой конструкции фюзеляжа среднемагистрального самолета до 10-15 % по сравнению с металлическим аналогом. К настоящему моменту максимальный выигрыш в весе при проектировании силовой конструкции фюзеляжа за счет использования композиционных материалов не превышал 5-7 % при использовании в конструкции сетчатой концепции КСС и 3-5 % при использовании КСС «black metal».

Практическая значимость исследования
Новый подход к проектированию сетчатых силовых конструкций фюзеляжа и разработанные методы анализа прочности конструкции с учетом ранней потери устойчивости и закритического деформирования силовых ребер, а также результаты расчетных и экспериментальных исследований позволили значительно дополнить научно-технический задел, созданный при адаптации сетчатой концепции к силовой конструкции композитного фюзеляжа. Это позволит достичь требуемой весовой эффективности композитных фюзеляжей перспективных пассажирских самолетов.