Введение к работе
Актуальность проблемы. За последние 30 лет интенсивное развитие получили направления исследований по изучению свойств и использованию в силовых конструкциях композиционных материалов. По мере изучения свойств композиты все шире находят применение в различных областях машиностроения. В настоящее время накопленный опыт использования слоистых материалов позволил приступить к следующему этапу их применения в таких силовых высоконагруженных и ответственных агрегатах планера самолета, как кессоны крыла. Используя возможность широкого варьирования свойств материала за счет изменения расположения армирующих элементов, можно добиться удовлетворения условий по прочности, жесткости и устойчивости композиционных конструкций при существенном снижении их массы по сравнению с традиционными металлическими конструкциями. Композиционные материалы на основе углеродных, борных, стеклянных, арамидных и других современных типов армирующих волокон являются важным, не использованным пока полностью резервом снижения массы, повышения летно-тактического совершенства и эффективности летательных аппаратов.
Успешное использование волокнистых многослойных материалов требует уточнения традиционных методов расчета и проектирования, а также создания новых, учитывающих особенности свойств композитов.
В настоящее время использование композиционных материалов происходит главным образом в несиловых и невысоконагруженних элементах конструкции (элероны, щитки, закрылки, люки, створки). В этих элементах выигрыш массы при замене металла на композит будет небольшим, так как количество композиционного материала в них чаще всего определяется потребной жесткостью, а не прочностью, или ке конструктивно-технологическими ограничениями.
Для высоконагруженных несущих элементов самолета (кессоны крыла, стабилизаторы, киль, панели, отсеки фюзеляжа и другие элементы планера), как показывает практика, с помощью многослойного . волокнистого материала можно одновременно удовлетворить прочность, а также различную необходимую жесткость в конструкции. На современном этапе использование композитов в конструкциях летательных аппаратов обеспечивает снижение массы в среднем на 15-25 только за счет более высоких, чем у металла, удельных механических характеристик в случае простой замены металла на пластик.
При более высоком уровне проектирования конструкции, то есть использования интегральных конструктивных схем и соответствующей технологии изготовления, связанной с учетом особенностей свойств и работоспособности материала, снижение массы может достигать 30-40%, а в некоторых случаях до 60 от массы аналогичной металлической конструкции самолета.
Необходимо отметить, что при создании изделий из композитов одновременно создается и материал этой конструкции, который обеспечивает изделию требуемые свойства.
Эти обстоятельства определяют актуальность проблемы, связанной с разработкой силовых авиационных конструкций, и одновременно с ними - структуры материала, а также методов их расчета и проектирования с учетом конструктивно-технологических ограничений и технологии изготовления. При этом должно обеспечиваться рациональное распределение материала и максимально снижаться масса конструкции планера самолета.
Цель работы - обеспечение заданных физико-технических характеристик конструкций летательных аппаратов путем расчета и проектирования структуры композиционного материала, применяемого для их изготовления.
Для обеспечения этой цели необходимо провести следующие работы:
-
Изучение особенностей поведения композиционного материала при нагрузке и создания расчетных моделей для конструкции крыла и элементов планера.
-
Разработка прикладных методов расчета и проектирования крыльев, панелей, пластин, стержней с учетом особенностей технологии изготовления.
3. Проектирование и разработка элементов конструкций
самолета, масса которых существенно ниже металлических аналогов,
при условии сохранения или улучшения характеристик изделий и
повышения эксплуатационных свойств и надежности.
4. Разработка методики и технологии проведения лабораторных и
промышленных испытаний разработанных конструкций.
5. Обоснование эффективности работы конструкций из композита.
Научная новизна работы определяется следующим.
Разработаны методы расчета и проектирования, приемы
конструирования и экспериментальных исследований на элементах и агрегатах планера самолета из композиционных материалов. С единых позиций вариационного подхода построены методы расчета и 4
проектирования конструкций крыла и силовых элементов планера самолета из композиционного материала с учетом технологии изготовления и конструктивно-технологических требований. Получен метод расчета в напряжениях многозамкнутых цилиндрических и слабоконических оболочек на основе модифицированной полубезмоментной теории, построенной на предположении об отсутствии продольного моментного состояния. Разработанный прикладной метод расчета является более общим по сравнению с другими известными методами за счет отсутствия гоомотричоских гипотез и эффективно используется в ограничениях по прочности в задаче оптимального проектирования.
Проведено уточнение расчетно-прооктировочшх методов для композитных стержней, подкрепленных панелей, панелей с вырезами. С их помощью существенно уточняются крутильная жесткость стержней разного типа сечений, напряженно-деформированное состояние подкрепленных панелей с учетом реальных статических и геометрических граничных условий на поперечных краях.
Построены аналитические методы расчета местной и общей потери устойчивости подкрепленных плоских элементов каркаса крыла и фюзеляжа типа панелей, лонжеронов, нервюр, которые позволяют учесть вид нагружения, совместную работу обшивки и стрингеров, реальные граничные условия.
Решена задача усиления традиционных металлических элементов жгутами из высокопрочных и высокомодульных композиционных материалов. Разработаны принципы конструирования и на их основе конструкции крыльев и элементов планера.
Проведены лабораторные испытания на моделях силовых элементов самолета в виде крыльев и стабилизаторов сборных и интегральных схем изготовления, подкрепленных панелей и панелей с вырезами из композиционных материалов. Испытаны соединения элементов, а также металлические конструкции, усиленные жгутами из волокон бора и углерода. Во многих случаях эти работы были проведены впервые в России и СНГ.
Эффективность новых технических решений подтверждена авторскими свидетельствами: для подкрепленных панелей (авторское свидетельство Л IIII393, 1984 г.), для способа изготовления армированных конструкционных материалов (авторское свидетельство № 730044, 1979 г.), способы соединения элементов конструкций (авторские свидетельства J6 485240, 1975 г., № 545785, 1976 г.)
Практическая значимость. Разработаны прикладные аналитические
методы расчета и проектирования крыла и силовых элементов планера самолота из композиционного материала, которыо позволили повысить достоверность значений искомых параметров и надежность силовых конструкций. Использование этих методов сокращает время расчетно-проектировочных работ, приводит к снижению массы конструкций, позволяет учитывать особенности технологии изготовления и конструктивно-технологические ограничения. Разработаны сборные варианты конструкций крыла, которые легче на 22-25. интегральные варианты конструкции с существенным уменьшением стыковых узлов и соединений, которые легче на 36-40%, подкрепленные панели, которые легче на 50 соответствующих металлических аналогов.\
Методы расчета и проектирования, практические рекомендации, разработанные силовые конструкции используются в промышленности и внедрены на предприятиях АООТ "КБ Сухого", АО НПО "Молния", ЭМЗ им. В.М.Мясищева, а также в учебных пособиях и курсах для специальности "Конструирование и производство изделий из композиционных материалов".
Достоверность научных положений и выводов обоснована и подтверждена сопоставлением теоретических решений автора с известными выводами других авторов, а также с результатами экспериментальных исследований, проведенных автором работы. :., - Внедрение результатов работы на предприятиях подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты доложены на І, Ш, IY, Y, YI Всесоюзных симпозиумах по механике конструкций из композиционных материалов (Канев, 1977 г.; Ленинакан, 1979 г.; Новосибирск, 1982 г.; Миасс, . Ї986 г. 1989 г.); П Межотраслевой конференции по механике конструкций из композиционных материалов (Миасс, 1978 г.); Всесоюзной конференции по использованию композиционных материалов (Москва, 1978 г.); 4-ой научно-технической конференции по статической прочности летательных аппаратов (ЦАГИ, 1980 г.); І, Ш, IY межотраслевых школах по проблемам проектирования конструкций (Харьков, 1980 г.; Ростов-на-Дону, 1982 г., Красноярск, 1985 г.); XII Всесоюзной конференции по теории оболочек и пластин (Ереван, 1980 г.) I, II, IY Всесоюзных конференциях "Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов" (Москва, 1983 г., Куйбышев, I98G г., Рыбачье, Крым, 1991 г.); YI, YII, YIII Международных конференциях по механике композитных материалов 6
(Рига, 1986 г., 1990 г., 1993 г.); I Всесоюзном научно-техническом семинаре "Применение полимерных композиционных материалов в машиностроении" (Ворошиловград, 1987 г.); Всесоюзной конференции "Проблемы прочности и технологии изготовления конструкций из композитных материалов (Севастополь, 1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Обобщение опыта и разработка перспектив применения полимерных материалов в конструкциях судостроительного назначения и смежных отраслей" (Феодосия, 1990 г.); Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Якутск, 1990 г.); I Всесоюзной научно-технической конференции "Полимерные материалы и технологические процессы изготовления изделий из них" (Москва, 1991 г.); Всесоюзном семинаре "Механика и технология полимерных и композиционных материалов и конструкций" (Вологда, 1992 г.); научно-технической конференции "Механика и технология композитов" (Севастополь, 1992 г.); Российских научно-технических конференциях: "Полимерные материалы в народном хозяйстве" (Сергиев Посад, 1993 г.); "Новые материалы и технологии машиностроения" (Москва, 1993 г.); "Прочность и живучесть конструкции" (Вологда, 1993 г.); "Композиционные материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергии" (Москва, 1995 г.); Белорусском конгрессе по теоретической и прикладной механике, "Механика-95" (Минск, 1995г.).
Работа выполнена в соответствии с координационными планами АН СССР. В I97G-I980 гг. по разделу I.I0.2 - Механика деформированного твердого тела,в I98I-I985 гг. - I.10.2.12 - Механика композиционных материалов и полимеров, в 1986-1990 гг. - I.10.2.12 - Термоупругость, механика композиционных материалов, а также по техническим заданиям предприятий АООТ. "КБ Сухого", ЦАГИ, АО НПО "Молния", ЭМЗ им. В.М.Мясищева.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 28 научных статьях, 4 авторских свидетельствах, 4 учебных пособиях.
Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов. Список литературы включает .165 наименований. Общий объем работы- 408 стр., в том числе 245 стр.' текста, 129 рисунков и 14 таблиц.