Введение к работе
Актуальность темы
В современном авиастроении, наряду с ужесточением требований к качеству техники и услуг, важным является повышение эффективности и конкурентноспособности новых изделий.
Основным условием обеспечения высокой эффективности объекта авиационной техники является распространение инноваций в области проектирования, технологии и расчета на прочность конструкций. Одним из важнейших направлений в современном авиастроении является применение композиционных материалов (КМ), которые позволяют создать более легкую конструкцию, придать изделию новые свойства, а в перспективе добиться снижения цены. Проектирование многослойных композитных конструкций требует применения аналитических и численных методов расчета прочности, позволяющих провести предварительный расчет структуры композита и последующий уточненный расчет.
Отсюда вытекает актуальность данной работы, в которой рассматриваются вопросы проектирования конструкции отсека фюзеляжа легкого и среднемагистрального пассажирского самолета, выполненного с широким применением композиционных материалов. Разработаны методики аналитического и численного расчета на прочность силовой подкрепленной оболочки фюзеляжа, определения и выбора параметров конструкции.
В работе содержатся результаты теоретических исследований и методологические принципы выбора конструктивно-технологических решений по критерию минимума массы на этапе конструирования.
Целью диссертационной работы является разработка методики рационального проектирования, расчета прочности и выбора параметров конструкции отсека фюзеляжа из композиционных материалов для легких и среднемагистральных пассажирских самолетов с учетом разной формы сечения фюзеляжа.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
- разработка статистики весовых и геометрических параметров
современных легких и средних пассажирских самолетов с выявлением
рациональных форм сечений фюзеляжа;
анализ проблем, требований и методик проектирования конструкции фюзеляжа из композиционных материалов;
разработка алгоритма аналитического решения и расчетных программ для определения напряженно-деформированного состояния композитной конструкции фюзеляжа разной формы поперечного сечения;
решение задач рационального проектирования отсека фюзеляжа из композиционных материалов методом последовательных приближений, исходя вначале из определения структуры и параметров гладкой оболочки и переходя к распределению материала с определенной структурой между обшивкой, стрингерами и шпангоутами и определению их параметров;
проверка результатов, полученных по предлагаемой методике, с результатами, полученными методом конечных элементов;
анализ и выбор рациональной конструктивно-силовой схемы отсека фюзеляжа легких и среднемагистральных пассажирских самолетов с учетом влияния конструктивных факторов;
разработка рекомендаций по проектированию конструкций композитных силовых элементов фюзеляжа легких и среднемагистральных пассажирских самолетов.
Научная новизна работы определяется:
1. Разработанной расчетно-аналитической методикой для определения напряженно-деформированного состояния в каркасированных композитных оболочках типа отсека фюзеляжа различного поперечного сечения, являющаяся основой для эффективного определения рациональной структуры при ограничениях по прочности конструкции.
2. Предложенной аналитической методикой рационального
проектирования ортотропных слоистых композитных конструкций,
включающая определение структуры, параметры и распределение стрингеров и
шпангоутов в оболочке, обеспечивающий минимум массы при ограничениях по
прочности, жесткости и устойчивости.
3. Предложенными вариантами силовых схем фюзеляжей легких и
среднемагистральных самолетов и рекомендациями по конструкции силовых
элементов отсека фюзеляжа из КМ.
Достоверность разработанных аналитических методик и алгоритмов, как и полученных в диссертации результатов, выводов и рекомендаций основывается на корректном использовании обоснованных теоретических подходов при решении поставленной задачи и подтверждается путем сравнения полученных на их основе результатов с прямым расчетом методом конечных элементов.
Научная и практическая значимость полученных результатов
Полученные в диссертации аналитические методики расчета цилиндрических оболочек, таких как отсек фюзеляжа, позволяют получать, удобные для использования в практике, обоснованные и достаточно точные данные по распределению напряжений по контуру и длине оболочки.
Предложенный подход к оптимальному проектированию элементов слоистых композитных конструкций может представлять интерес для разработчиков численных и аналитических методов решения задач оптимального проектирования. Результаты работы могут быть использованы при проектировании других композитных конструкций.
На защиту выносятся:
- маркетинговое исследование, целью которого являлось определение влияния внешней формы фюзеляжа и степени использования композиционных материалов конструкции на уровень конкурентоспособности гражданских самолетов легкого и среднего классов;
- аналитические методики и алгоритмы расчета для определения
напряженно-деформированного состояния и рационального проектирования
цилиндрической оболочки, в виде отсека фюзеляжа, из композиционных
материалов различных форм поперечного сечения;
результаты расчетов и сравнительный анализ различных вариантов конфигурации современных легких и средних пассажирских самолетов;
рекомендации по выполнению конструктивно-силовых схем отсеков фюзеляжей из композиционных материалов.
Апробация работы и публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России для кандидатских диссертаций («Механика композиционных материалов и конструкций», «Конструкции из композиционных материалов», «Труды МАИ»).
Основные результаты работы докладывались на 7-ой международной конференции «Авиация и Космонавтика» в октябре 2008 года, во II Международной научно-практической конференции НТТМ-2010 «Научно-техническое творчество молодежи» в июне 2010 года, и на 9-ой международной конференции «Авиация и Космонавтика» в ноябре 2010 года.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения. При общем объеме 127 страниц работа включает 111 страниц основного текста, 68 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 170 наименований, из них 48 на иностранных языках. В приложении приведены тексты составленных автором программ, использованных в диссертации.
