Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности посадки вертолета, оборудованного полозковым шасси, является составной частью работ по проектированию вертолета и требует привлечения значительных научно-технических ресурсов. Перед инженерами, занимающимися проектированием полозкового шасси, стоят следующие задачи:
- определение параметров полозкового шасси исходя из ограничений, накладываемых на величины располагаемой работоемкости, деформаций и перегрузок, возникающих в процессе посадочного удара;
- подтверждение безопасности посадок копровыми сбросами согласно требованиям норм прочности (АП-29, FAR-29).
Полозковое шасси является уникальным агрегатом: особенности восприятия им нагрузок, возникающих в процессе посадочного удара, заключаются в наличии больших перемещений и пластических деформаций, а особенностью конструкции (по сравнению с колесным) является связь рессор посредством полозков. Эти особенности порождают проблемы, возникающие как на этапе определения параметров шасси, так и на этапе подтверждения безопасности посадок.
При определении параметров полозкового шасси инженеру необходимо иметь информацию об их взаимозависимости и о чувствительности проекта к изменению параметров. Такая информация на этапе проектирования может быть получена расчетом. Однако, ввиду особенностей агрегата, результаты расчетов, произведенных по математическим моделям посадки вертолета, основанным на грубых допущениях (например, о раздельной работе рессор), являются недостаточно достоверными. Конечно-элементные программные комплексы основаны на более точных допущениях, но ориентированы на решение общемашиностроительных задач и недостаточно хорошо приспособлены к задачам моделирования процесса посадки вертолета на полозковом шасси (например, довольно грубо аппроксимируется зависимость напряжений от деформаций, не учитывается изменение зависимости в процессе второго посадочного удара). Значительное компьютерное время, требующееся для проведения конечно-элементных расчетов процесса деформирования полозкового шасси при копровых сбросах, затрудняет проведение параметрического анализа, что сильно снижает возможности использования таких расчетов для принятия обоснованных конструкторских решений на ранних стадиях проектирования.
По сложившейся отечественной практике ведущих вертолетостроительных КБ в рамках подтверждения соответствия конструкции полозкового шасси требованиям п.п. 29.723, 29.725 и 29.727 АП-29 проводятся копровые сбросы для воспроизведения вертикальной посадки и посадки с горизонтальной поступательной скоростью (посадки с пробегом).
Ввиду того, что полозковое шасси является цельной конструкцией, методы, используемые в самолетостроении для колесного шасси, и заключающиеся в определении нагрузки, воспринимаемой каждым колесом и последующим раздельным испытанием колес не подходят, более того, раздельное испытание рессор невозможно еще и ввиду того, что, как правило, полозковые шасси изготовляются из круглых металлических труб и рессора, отделенная от всей конструкции, уже является механизмом.
Наибольшую трудность вызывает проведение копровых сбросов для случая посадки с пробегом. Традиционно либо вертолет сбрасывается на канатах, отстреливаемых в момент касания посадочной площадки при помощи пиропатронов (подобный способ используется только в тех случаях, когда в энергопоглощающую систему включен принципиально новый агрегат), либо вертолет сбрасывается на наклонную плоскость.
Недостатками традиционных методик является дороговизна и длительное время, требующееся для подготовки к проведению испытаний, что может привести не только к экономическим трудностям, но и к снижению качества испытаний и качества дальнейшего проектирования: ввиду того, что для проведения сбросов по традиционным методикам требуются довольно значительные материальные и временные ресурсы, то такие сбросы проводятся довольно редко, что не позволяет удовлетворить основным требованиям к проведению эксперимента, заключающимся в его многократной воспроизводимости и стабильности побочных факторов и, соответственно, может привести к неправильной интерпретации результатов. Копровые испытания по традиционным методикам проводятся на завершающей стадии проектирования, целью их проведения является подтверждение безопасности посадок вертолета. Традиционные методики не являются инструментом исследования деформирования полозкового шасси в процессе посадочного удара, что является существенным недостатком.
По сравнению с традиционными способами проведения копровых испытаний наибольший интерес вызывают имитационные способы, направленные на искусственное создание заранее заданных условий поглощения энергии посадочного удара для каждого конструктивного элемента полозкового шасси в наиболее критичном для него положении. Использование имитационных методик требует значительно меньших временных и материальных ресурсов, чем использование традиционных. Имитационные методики могут быть использованы не только для подтверждения безопасности посадок при заданных режимах эксплуатации, но и в качестве инструмента для получения новых знаний.
Примером такого имитационного способа проведения копровых испытаний служат проведенные копровые сертификационные испытания полозкового шасси вертолета АНСАТ, выполненные в ИЛ ПНКЛА КГТУ им. А.Н. Туполева в 2004 – 2009 г.г. по методике и программе испытаний, разработанной специалистами ОАО «КВЗ». Анализу результатов указанных испытаний и построению адекватной расчетной модели их воспроизведения (в том числе с целью дальнейшего усовершенствования методики испытаний имитационного типа) посвящена настоящая диссертационная работа.
Ввиду уникальности такого агрегата, как полозковое шасси вертолета, представляется целесообразной разработка специализированной математической модели, учитывающей особенности агрегата и требующей незначительного времени для проведения расчета, а также разработка методики копровых сбросов на основе разработанной математической модели, требующей меньших материальных и временных ресурсов, чем традиционные. Работа направлена на интенсификацию проектирования, повышение его качества и на обеспечение одной из важнейших задач комплекса обеспечения безопасности авторотационной посадки вертолета, оборудованного трубчатым полозковым шасси, - задачи адекватного проведения копровых испытаний, и в этом заключается актуальность данной работы.
Цель работы. Развитие методов: определения напряженно-деформированного состояния трубчатого полозкового шасси вертолета в процессе копровых испытаний; проведения копровых испытаний трубчатого полозкового шасси вертолета; принятия обоснованных конструкторских решений на ранней стадии проектирования трубчатого полозкового шасси вертолета, в том числе по обоснованию выбора параметров испытательного стенда.
Развитие перечисленных методов ориентировано на обеспечение безопасности посадок вертолета при заданных режимах эксплуатации, интенсификацию проектирования и повышение его качества.
Задачи работы. 1. Разработка математической модели статического нагружения трубчатого металлического полозкового шасси вертолета на базе ранее полученных решений.
2. Разработка математической модели квазистатического нагружения (на основе разработанной модели статического нагружения) трубчатого полозкового шасси вертолета в процессе копровых испытаний.
3. Разработка методики определения основных параметров стенда, предназначенного для проведения сертификационных копровых испытаний трубчатого полозкового шасси вертолета для случаев посадки с горизонтальной скоростью, вертикальной посадки и удовлетворяющего требованиям норм прочности (АП-29).
4. Разработка концепции и принципиальной схемы стенда, предназначенного для проведения копровых испытаний трубчатого полозкового шасси вертолета для случаев посадки с горизонтальной скоростью, вертикальной посадки и удовлетворяющего требованиям норм прочности (АП-29).
Научная новизна. В диссертации предлагаются следующие новые методы и приводятся полученные новые результаты.
1. Математическая модель квазистатического нагружения трубчатого полозкового шасси вертолета в процессе копровых испытаний. В модели учитывается второй посадочный удар.
2. Обоснование необходимости учета пластического деформирования материала рессор полозкового шасси и возможности использования критериев пластичности, не зависящих от скорости деформирования в процессе копровых испытаний.
3. Способ учета пластического деформирования материала рессор в процессе копровых испытаний трубчатого полозкового шасси вертолета. Использование данного способа позволяет учесть асимметричный характер нагружения и разгрузки для материалов, имеющих зависимость напряжений от деформаций произвольного вида.
4. Методика определения основных параметров стенда, предназначенного для проведения сертификационных копровых испытаний трубчатого полозкового шасси вертолета для случаев посадки с пробегом, вертикальной посадки и удовлетворяющего требованиям норм прочности.
5. Концепция и принципиальная схема данного стенда.
6. Методика определения основных конструктивных параметров рессор полозкового шасси по условию поглощения заданной энергии посадочного удара.
Практическая ценность. Использование разработанной математической модели позволяет на ранних стадиях проектирования определять параметры трубчатого полозкового шасси, интенсифицировать процесс проектирования. Использование предлагаемого стенда и методики определения его основных параметров позволяет провести сертификационные копровые испытания с меньшими затратами материальных и временных ресурсов, чем при использовании традиционных методик и стендов, интенсифицировать проведение копровых испытаний трубчатого полозкового шасси.
Основные результаты диссертационной работы использованы при проектировании вертолета «АНСАТ», в том числе при проработке вариантов модификаций его полозкового шасси на этапе ОКР.
Достоверность результатов. Достоверность математической модели статического нагружения трубчатого полозкового шасси подтверждена: сравнением результатов расчета по данной модели с результатами расчета по МКЭ, полученными другим автором; анализом физического смысла результатов расчета.
Достоверность математической модели квазистатического нагружения трубчатого полозкового шасси подтверждена: сравнением результатов расчета с результатами эксперимента; постоянством величины полной энергии массово-инерционного макета вертолета в процесс копровых испытаний, полученной расчетом; анализом физического смысла результатов расчета.
Положения, выносимые на защиту. 1. Математическая модель квазистатического нагружения трубчатого полозкового шасси вертолета при копровых испытаниях.
2. Концепция и принципиальная схема стенда, предназначенного для проведения копровых испытаний полозкового шасси вертолета для случаев посадки с поступательной скоростью, вертикальной посадки и удовлетворяющего требованиям АП-29.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развитии авиации, наземного транспорта и энергетики АНТЭ-07» (г. Казань, 2007), на 8-ом и 9-ом форумах Российского вертолетного общества (г. Москва), а также на международной молодежной научной конференции «XVI Туполевские чтения» (г. Казань, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 научные статьи в рецензируемом издании ВАК, а также 4 тезиса конференций.
Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и содержит 191 страницу машинописного текста, 6 таблиц, 140 рисунков. Библиография включает 91 наименование.
Похожие диссертации на Расчетно-экспериментальное обеспечение проектирования и проведения копровых испытаний полозкового шасси вертолета
