Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
В современных условиях резко возросли требования к качеству проектов летательных аппаратов (ЛА). Это объясняется их сложностью, высокой стоимостью и уменьшением общего количества новых разработок. В условиях жёсткой конкуренции качество проектов определяется как высокими техническими характеристиками, так и затратами времени от замысла изделия до запуска его в производство, которое обычно сильно затягивается из-за многочисленных доработок. Доработки, как правило, возникают из-за недостаточной точности проектировочных расчётов. Современные информационные технологии позволяют решать с высокой точностью задачи анализа в области прочности, аэродинамики и аэроупругости известных конструкций, то есть тех, для которых приняты определенные технические решения. Однако на ранних стадиях проектирования остаётся ряд междисциплинарных задач, обладающих большой неопределенностью. Проблемой является взаимосвязь между аэродинамическими нагрузками, силовой конструкцией и её деформациями, которые в свою очередь могут существенно влиять на распределение нагрузок. Задание недостаточно точного распределения нагрузок может приводить после детального проектирования либо к недостаточной прочности конструкции, либо к необоснованным избыткам прочности и массы конструкции. Кроме того, знание деформаций и жёсткости крыльев на ранних стадиях разработки ЛА полезно для проектирования механизации, систем управления и т.п.
Диссертация посвящена разработке методики учёта деформаций крыла на ранних стадиях проектирования с использованием в качестве оптимизационной модели тела переменной плотности. Работа выполнена с поддержкой ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, государственный контракт №14.740.11.0126 от 13.09.2010 г. по теме «Разработка инновационной технологии конструирования летательных аппаратов с использованием высокоточного математического моделирования и концепции CALS».
Снижение рисков на начальных стадиях разработки летательных аппаратов при проектировании конструкций крыла, которые могут проявляться в виде избытков или недостатков прочности при недостаточной точности задания аэродинамических нагрузок.
Анализ факторов, влияющих на изменение углов атаки поточных сечений крыла при его деформациях.
Разработка методики, алгоритмов и программ расчёта распределения аэродинамической нагрузки на крыло с учётом его деформаций в условиях неопределенности информации о конструкции.
Разработка методики прогнозирования деформаций крыла на ранних стадиях проектирования.
Обеспечение достоверности прогноза деформаций крыла с использованием новой оптимизационной модели.
5 Оценка влияния учёта деформации крыла на массу силовой конструкции.
Объект исследования. Конструкция крыла ЛА.
Предмет исследования. Силовое и весовое проектирование крыла с учётом статических аэроупругих явлений.
Методы исследования. Строительная механика, аэродинамика, математическое моделирование. Метод конечных элементов, методы компьютерной аэродинамики. Вычислительный и натурный эксперимент.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается использованием апробированных методов расчёта напряжённо-деформированного состояния конструкций и методов расчёта распределения циркуляции скорости по крылу, решением специально поставленных тестовых задач, а также сопоставлением результатов расчёта деформаций с данными натурного эксперимента.
Методику учёта связи аэродинамических нагрузок с деформациями крыла в условиях неопределённости информации о конструкции.
Методику прогнозирования деформаций крыла на ранних стадиях проектирования.
Результаты исследования основных факторов, влияющих на достоверность прогноза деформаций крыла.
Методику оценки влияния деформаций крыла на массу его силовой конструкции.
Предложена методика прогнозирования деформаций крыла с использованием тела переменной плотности в качестве оптимизационной модели в условиях неопределённости по выбору силовой схемы и величин жесткостей отдельных элементов.
Исследованы факторы, влияющие на результаты прогноза деформаций крыла по разработанной методике, и предложены методики определения их значений.
Предложена аналитическая тестовая модель для комплексной проверки результатов оптимизации распределения материала в ЗБ-модели переменной плотности и результатов расчёта её деформаций.
Предложена методика оценки массы силовых элементов крыла с различными распределениями нагрузки по размаху с использованием безразмерного коэффициента силового совершенства конструкций.
Разработаны методики и программное обеспечение расчёта распределения аэродинамической нагрузки по размаху крыла с учётом его деформаций, которые могут быть использованы в разработке летательных аппаратов с традиционными и новыми аэродинамическими формами, в том числе для определения весовых лимитов по крылу.
Проведены параметрические исследования по весовому анализу стреловидных крыльев, которые показывают наличие резервов массы в силовых элементах крыльев прямой стреловидности и определяют пути их выявления.
Разработанные методики и программное обеспечение внедрены в ОАО «Экспериментальный машиностроительный завод им. В.М. Мясищева» и реализованы в учебном процессе СГАУ.
Основные положения работы докладывались на следующих научных
конференциях: IV научно-практическая конференция «Исследование и
перспективные разработки в авиационной промышленности»,
ОАО «ОКБ Сухого» - МАИ, г. Москва, 2007 г.; 2-я Всероссийская конференция ученых, молодых специалистов и студентов "Информационные технологии в авиационной и космической технике-2009", МАИ, г. Москва, 2009 г.; II и III Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы машиностроения», СНЦ РАН, г. Самара, 2010 г., 2011 г.; международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса", СГАУ, г. Самара, 2010 г.; 9-я Международная конференция «Авиация и космонавтика — 2010», МАИ, г. Москва, 2010 г.; международная молодежная конференция «XIX Туполевские чтения», КГТУ, г.Казань, 2011 г.; XV Всероссийский семинар по управлению движением и навигации летательных аппаратов, СГАУ, г. Самара, 2011 г.; European Workshop on Aircraft Design Education (EWADE), 2011, Naples, Italy.
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 6 статей в периодических и научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 97 наименований. Работа содержит 107 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 5 таблиц и 2 приложения.
