Введение к работе
Актуальность работы
Рассматриваются следующие взаимосвязанные задачи, решаемые на ранних стадиях проектирования силовых авиационных конструкций:
определяются нагрузки, действующие на конструкцию;
выбираются наиболее эффективные по массе силовые схемы;
определяются (прогнозируются) значения масс агрегатов.
Эти задачи приходится решать в условиях неопределённости, когда отсутствует необходимая информация об объекте проектирования, в частности, ещё не известны деформации создаваемой конструкции. В сложившемся порядке проектирования самолётов на ранних этапах задача определения нагрузок часто решается в предположении абсолютной жёсткости конструкций. В то же время изгибные деформации, например, стреловидного крыла вызывают отрицательные изменения углов атаки в концевых сечениях крыла. Учёт этих изменений может дать другое, более выгодное с точки зрения прочности, распределение нагрузки и соответствующее снижение массы конструкции. Для этого необходим достоверный прогноз переменных состояния разрабатываемых упругих систем.
Силовая схема конструкции определяется количеством и типом силовых элементов, их расположением в пространстве и способами соединения между собой. Решения, связанные с выбором силовых схем, на практике зачастую принимаются эвристическими методами, на основании экспертных оценок, опыта и интуиции, а также с использованием результатов расчётов на упрощенных математических моделях (балочная, пластинная аналогия). Более достоверное исследование свойств объекта проектирования с применением метода конечных элементов (МКЭ) производится лишь в конце процесса его разработки на стадии проведения поверочных расчётов. В такой ситуации некоторые решения, связанные с выбором силовой схемы конструкции, могут оказаться неудачными. Попытки устранения недостатков в силовой схеме на завершающих этапах проектирования конструкции обычно требуют значительных дополнительных затрат времени и материальных ресурсов. С целью повышения качества проектов и эффективности процесса проектирования в докторской диссертации Комарова В. А. (МАИ, 1974 г.) предложен метод формирования силовой схемы по условиям прочности с привлечением МКЭ ещё до начала полномасштабной разработки конструкции на этапе рабочего проектирования. Этот метод, использующий трёхмерные континуальные модели тела переменной плотности, в то время не получил широкого практического применения из-за недостаточной производительности компьютеров. Развитие вычислительной техники, произошедшее за последние десятилетия, позволяет переосмыслить возможности применения континуальных моделей в проектировании авиационных конструкций, в том числе и для новых приложений.
Теоретические основы систематизированного изучения вопросов прочности и весовой эффективности авиационных конструкций заложены в работах Шенли Ф. Р., Бадягина А. А., Егера С. М., Козловского В. И., Шейнина В. М., Torenbeek E., Raymer D. P. и других учёных. Весовое проектирование конструкций обычно основывается на использовании так называемых "весовых формул", полученных из статисти- ческого анализа построенных самолётов. Этот метод вполне работоспособен, если существуют объекты, позволяющие вести проектирование самолёта "от прототипа". В то же время статистический подход не гарантирует высокую точность весовых расчетов в случаях использования необычных внешних форм, новых технических решений по типу конструкции или при существенном изменении абсолютных размеров самолёта.
Современные авиационные конструкции традиционных форм близки к исчерпанию возможностей повышения аэродинамических и весовых характеристик, поэтому во всём мире ведётся интенсивный поиск новых технических решений. Характерными примерами такого поиска могут служить исследования свойств телескопических крыльев, самолётов интегральной компоновки, крыльев малого удлинения необычной формы, разработка рациональных подкреплений тонкостенных конструкций в зонах больших вырезов, другие инновационные работы, для выполнения которых ещё не накоплены статистические данные, необходимые для использования традиционных методик проектирования.
Всё это свидетельствует, во-первых, об актуальности разработки методов проектирования силовых схем и весового анализа авиационных конструкций, использующих высокоточное математическое моделирование уже на стадии эскизного проектирования и, во-вторых, о противоречии между существующими способами проектирования и потребностью внедрения в конструкцию летательных аппаратов (ЛА) новых технических решений.
Объектами исследования являются несущие поверхности и фюзеляжи авиационных конструкций.
Предмет исследования - методы проектирования указанных объектов на основе математических моделей деформируемого твёрдого тела переменной плотности (континуальных моделей).
Цель диссертационной работы заключается в повышении точности проектных решений, направленных на минимизацию массы авиационных конструкций при комплексном учёте требований прочности, жёсткости и устойчивости.
Задачи данной работы:
-
Исследовать адекватность моделей деформируемого твёрдого тела переменной плотности в задачах проектирования авиационных конструкций.
-
Разработать алгоритмы оптимизации распределения материала в континуальной модели конструкции с учётом ограничений на напряжения, обобщённые перемещения и критические усилия потери устойчивости упругой системы.
-
Создать программное обеспечение, реализующее разработанные алгоритмы оптимизации в среде МКЭ-системы.
-
Выполнить разностороннее испытание разработанных алгоритмов оптимизации.
-
Разработать методы проектирования авиационных конструкций на основе моделей тела переменной плотности, учитывающие широкий спектр функциональных ограничений и зависимость аэродинамических нагрузок от деформаций конструкций.
-
Применить новые методы проектирования авиационных конструкций при решении прикладных задач.
Методы исследования
Для решения поставленных задач используются методы механики деформируемого твердого тела, методы математического моделирования, в том числе метод конечных элементов, методы оптимизации, включая методы нелинейного математического программирования.
Новые научные положения и результаты, полученные лично соискателем учёной степени и выдвигаемые для защиты:
методы проектирования конструкций несущих поверхностей и фюзеляжей на основе интерпретации силовой работы континуальной модели переменной плотности, учитывающие широкий спектр функциональных ограничений и зависимость распределения аэродинамических нагрузок от деформаций упругих систем;
методика и результаты исследования достоверности континуальной модели в задачах проектирования силовых авиационных конструкций;
метод оптимизации распределения материала в конструкциях на основе минимизации энергий деформаций, наделенный способностью идентифицировать активные случаи нагружения;
метод оптимизации распределения материала переменной плотности в континуальной модели с учётом широкого спектра функциональных ограничений по прочности, жёсткости и устойчивости, позволяющий находить новые технические решения.
Практическая ценность и результаты внедрения работы:
предложено математическое и программно-алгоритмическое обеспечение решения задачи структурной оптимизации пространственных конструкций с учётом требований прочности, жёсткости и устойчивости;
разработана методика модификации в процессе жизненного цикла ЛА силовой схемы конструкции при заданных ограничениях на обобщённые перемещения;
решен ряд практических задач, в том числе получено новое техническое решение при проектировании отсека фюзеляжа Ту-204С.
Результаты работы внедрены на следующих промышленных предприятиях: ОАО «Таганрогский авиационный научно-технический комплекс им. Г. М. Бериева» (г. Таганрог), Самарский филиал КБ «Туполев» (г. Самара), ОАО «Экспериментальный машиностроительный завод им. В. М. Мясищева» (г. Жуковский). Результаты исследования используются также в учебном процессе СГАУ при обучении студентов специальностей 160201 "Самолёто- и вертолетостроение", 220305 "Автоматизированное управление жизненным циклом продукции" и магистров по направлению 160100.68 "Авиа- и ракетостроение".
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием теоретически обоснованных и практически проверенных численных методов анализа напряжённо- деформированного состояния и аэродинамических характеристик авиационных конструкций, подтверждается сопоставлением с точными аналитическими решениями и результатами натурного эксперимента.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались
на X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (г. Нижний Новгород, 2011) [14];
на Международных научных конференциях:
"Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов" (г. Харьков, 1991) [18],
"Экстремальные задачи и их приложение" (г. Нижний Новгород, 1992) [19],
"Авиация и космонавтика" (г. Москва, 2008) [21],
"Перспективные информационные технологии для авиации и космоса" (г. Самара, 2010) [23],
"АВИА-2011" (г. Киев, 2011) [24],
10th European Workshop on Aircraft Design Education (EWADE) (Naples, Italy, 2011) [15],
на Всероссийских научных и научно-практических конференциях:
"Компьютерная интеграция производства и ИПИ (CALS) технологии" (г. Оренбург, 2005) [20],
"Комплексные технологии виртуальной разработки изделий. Опыт применения на предприятиях СНГ и стран Балтии" (г. Москва, 2008, 2009),
"Актуальные проблемы машиностроения" (г. Самара, 2009 [7], 2011 [13]),
"Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики" (г. Казань, 2009) [22],
"Актуальные проблемы ракетно-космической техники" (г. Самара, 2011 [25]).
Публикации
Результаты исследования опубликованы в 31 печатной работе, в том числе шестнадцати статьях в журналах из списка ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 248 наименований и приложения. Содержит 221 страницу основного текста, включая 186 рисунков и 19 таблиц.
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».
