Моделирование и расчет на прочность и устойчивость элерона

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕРОНА

по дисциплине «Метод конечных элементов»

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
• 2. ПОСТРОЕНИЕ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ
• 2.1 Построение геометрической модели
• 2.2 Задание свойств материалов для каждого элемента конструкции
• 2.3 Задание геометрических характеристик элементов
• 2.4 Построение конечноэлементной модели
• 2.5 Закрепление и нагружение модели
• 3. АНАЛИЗ ИСХОДНОЙ КОНСТРУКЦИИ
• 3.1 Статический анализ
• 3.2 Расчет устойчивости
• 4. ДОРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ
• ВЫВОД
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛЕТЕРАТУРЫ
• ВВЕДЕНИЕ
• Целью данного курсового проекта является расчет элерона ЛА в среде COSMOS/M. В ходе работы необходимо подобрать эквивалентные конечно-элементные модели для проектирования поясов и стенок лонжеронов, поясов и стенок нервюр, обшивки, которые позволят решать задачу расчета напряженно-деформированного состояния и проектирования со значительным уменьшением затрат труда и времени, по сравнению с ручными расчетами.
• В конструкциях современных летательных аппаратов, где задача снижения массы стоит особенно остро, актуальным и перспективным является изготовление силовых элементов, таких как лонжероны крыла и оперения, элероны, рули, каркас пола и др., из композиционных материалов. Учитывая широкий диапазон и специфику применения композиционных материалов, решение ряда задач, к которым относятся обеспечение прочности и устойчивости элементов конструкции и конструкции в целом, силовое взаимодействие с другими элементами конструкции и др., представляется достаточно сложно осуществимым вручную. Однако при правильном подборе соответствующей модели данное решение не только существенно упрощается, но и позволяет получить комплексные результаты и сравнить поведение одних и тех же элементов, выполненных из различных материалов или одного и того же материала, армированного под различными углами.
• 1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
• Исходная расчетная схема элерона и распределение воздушной нагрузки по хорде элерона представлена на рисунках 1.1 и 1.2
• Рисунок 1.1 — Расчетная схема элерона
• Рисунок 1.2 — Схема распределения воздушной нагрузки по хорде элерона
• Геометрические характеристики и значение воздушной нагрузки представлено в таблице 1.1
• Таблица 1.1 Геометрические характеристики и значение воздушной нагрузки

№ В-та	Кол-во стр-ров n	Размах, L, м	Хорда, B, м	q, Па	Профиль	Материал обшивки	Тип поперечного сечения и материал продольного и силового набора
							поясов лонжерона	поясов нервюр и стр-ров
		1,8	0,45		STANDART-2410	№ 8	Т № 1	L № 3

• Тип обшивки:
• — стенки нервюр и лонжерона, обшивка хвостовой части — трехслойная панель;
• — носок — гладкая (однородная) обшивка.
• В таблице 1.2 приведены материалы, из которых изготовлены элементы элерона.
• Таблица 1.2 — Свойства материалов

№

Материал

0, мм

E1, ГПа

E2, ГПа

G12, ГПа

F1p, МПа

F1с, МПа

F2p, МПа

F2с, МПа

F12, МПа

12, кг/

УОТ

0,16

0,26

УО

0,08

0,35

СО

0,15

0,3

Пенопласт

;

0,1

0,1

0,024

0,3

;

2. ПОСТРОЕНИЕ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ

2.1 Построение геометрической модели

На рисунке 2.1 приведен вид геометрической модели, для данного варианта задания при построении которой в пакете используются общие примитивы, которые представляют собой точку (PT), линию (CR) и поверхность (SF), с которыми связаны и типы конечных элементов, использующиеся при дальнейшем построении конечноэлементной модели.

Построение точек (PT) производится путем ввода их координат с клавиатуры или с использованием мыши: Geometry Points Define.

Линии (CR) в данной работе строились с использованием имеющихся точек или по координатам Geometry Curves :

Line with 2 Pts — прямая по двум точкам;

Circular Arc — дуга окружности;

Поверхности (SF) были построены по точкам и линиям:

Geometry Surfaces :

Define by 3 Pt

Define by 4 Pt

Define by 2 Cr — по двум линиям;

Define by 3 Cr — по трем линиям;

Define by 4 Cr — по четырем линиям.

Рис. 2.1 — Геометрическая модель элерона

2.2 Выбор типа конечных элементов

Задание типа конечных элементов (EG) производится перед генерированием сетки конечных элементов для конкретного геометрического примитива, который конвертируется в конечноэлементную модель. При этом соответствующий номер EG должен быть активизирован (Control Activate Set Entity).

Задание типа конечных элементов (EG): PropSets Element Group. После этого в окне «Element Group» вводится номер типа элементов, в окне «Element Group» — выбирается тип элемента, а далее водятся опции этого типа элементов (их описание содержится в библиотеке элементов).Выбираем типы конечных элементов из библиотеки пакета для каждой зоны конструкции (EG):

— BEAM3D — пространственный балочный элемент (используем для поясов лонжерона, стрингеров и поясов нервюр);

— SHELL3L — трехузловой многослойный оболочечный элемент с изгибными и мембранными свойствами для пространственного анализа. Может задаваться до 50 слоев, каждый слой может иметь различные характеристики изотропного или ортотропного материала (используем для стенок нервюр);

— SHELL4L — четырехузловой многослойный четырехугольный оболочечный элемент с изгибными и мембранными свойствами для пространственного анализа. Каждый слой может иметь различные характеристики изотропного или ортотропного материала (используем для обшивки и стенки лонжерона).

Таблица 2.1 — Выбор типа конечных элементов для деталей крыла

№	Наименование	Тип КЭ	EG	MP	RC	Element
	Пояс лонжерона	BEAM3D				1−200
	Пояса нервюр	BEAM3D				201−388
	Стрингера	BEAM3D				389−1788
	Стенка лонжерона	SHELL4L				1789−2388
	Обшивка в носовой части	SHELL4L				2389−5388
	Обшивка хвостовой части	SHELL4L				5389−11 788
	Стенка лонжерона	SHELL3L				11 789−12 857

2.3 Задание свойств материалов для каждого элемента конструкции

Задание свойств материала производится следующим образом:

(MP): PropSets Material Property. После этого в окне «Material Property Set» вводится номер материала, в окне «Material Property Name» — выбирается соответствующее свойство, а в окне «Property Value» вводится его значение. Согласно заданию для балочных элементов задаем свойства однонаправленного углепластика (МР1) и однонаправленного стеклопластика (МР2) (табл.1.2 материал № 2, № 3), для оболочечных элементов используем угле-органопластик тканый (МР3) (табл.1.2 материал № 1), для заполнителя использовался пенопласт (табл.1.2 материал № 4). Ниже приведен список заданных свойств материалов.

2.4 Задание геометрических характеристик элементов

Задание геометрических постоянных (RC) производится перед генерированием сетки конечных элементов для конкретного геометрического примитива, который конвертируется в конечноэлементную модель. При этом соответствующий номер RC должен быть активизирован (Control Activate Set Entity). Задание геометрических постоянных (RC): PropSets Real Constant. После этого в окне «Associated Element group» вводится номер группы элементов, в окне «Real Constant set» вводится номер списка геометрических постоянных, в окне «Start location of the real constants» вводится начальный номер геометрической постоянной, в окне «No. of real constants to be entered» — количество «Material Property Name» — выбирается геометрических постоянных, которые должны быть введены, а в окне «RCONST» вводятся их значения. В зависимости от выбранного типа элемента задаем геометрические характеристики элементов по зонам конструкции. Для оболочечных элементов необходимо задать:

R1 — расстояние от срединной плоскости до верхней поверхности;

R2 — градиент температур для элемента;

R3 — толщина слоя 1;

R4 — номер материала для слоя 1;

R5 — материальный угол для слоя 1;

R3 — толщина слоя 2;

R4 — номер материала для слоя 2;

R5 — материальный угол для слоя 2

Для балочных элементов задаем площадь поперечного сечения, моменты инерции, ширину, высоту.

2.5 Построение конечноэлементной модели

После построения геометрической модели, выбора типа элементов (EG), задания свойств материала элементов (MP) и геометрических характеристик (RC) производится разбиение геометрической го объекта (или его части) на конечные элементы, при этом тип элементов должен соответствовать типу геометрического объекта: одномерные элементы создаются на линиях (CR); двумерные — на поверхностях (SF). Кроме того, перед генерацией сетки на части геометрического объекта (или объекте) должны быть активными соответствующие тип элементов (EG), свойства материала элементов (MP) и геометрические характеристики (RC). Генерация сетки на линиях (CR) производится как: Meshing Parametric Mesh Curves. После этого в окне задаются:

— начальная линия;

— конечная линия;

— шаг;

— количество узлов в элементе;

— количество элементов на каждой линии;

— масштабный коэффициент;

— точка для определения главной оси в трехузловых элементах.

Генерация сетки на поверхностях (SF) производится как: Meshing Parametric Mesh Surfaces. После этого в окне задаются:

— начальная поверхность;

— конечная поверхность;

— шаг;

— количество узлов в элементе;

— количество элементов на первой линии;

— количество элементов на второй линии;

— масштабный коэффициент для первой линии;

— масштабный коэффициент для второй линии.

В данном случае генерация сетки конечных элементов производится по размеру элемента, причем размер элемента принимается равным 10 мм.

После создания и редактирования конечноэлементной модели нужно слить совпадающие узлы (Meshing Nodes Merge). На рисунке 2.2 показана построенная конечноэлементная модель для данной работы

Рисунок 2.2 — Конечноэлементная модель элерона

2.6 Закрепление и нагружение модели

Необходимо закрепить поворотное крыло как показано на рис. 1.2, т. е. нужно наложить ограничения на все повороты и все перемещения.

Закрепление узлов производится следующим образом: Loads BC Structural Displacement Define by Nodes, при этом в окне задания перемещений узлов вводятся:

— номер начального узла;

— вид закрепления (Al:All 6 DOF);

— величина перемещений (по умолчанию ноль);

— номер конечного узла;

— шаг узлов;

— виды других перемещений в этих узлах.

Нагружение конечноэлементной модели давлением по поверхностям производится следующим образом: Loads BC Structural Pressure Define by Surfaces. При этом в окне задания давлений вводятся:

— номер начальной поверхности;

— величина давления в начале поверхности;

— номер конечной поверхности;

— шаг поверхностей;

— величина давления в конце направления 1;

— величина давления в конце направления 2;

— направление приложения давления (по нормали к поверхности, по осям).

Распределение воздушной нагрузки по хорде элерона показано на рис. 2.3

Рисунок 2.3 — Распределение воздушной нагрузки по хорде элерона

3. АНАЛИЗ ИСХОДНОЙ КОНСТРУКЦИИ

3.1 Статический анализ

Статический расчет конечноэлементной модели производится следующим образом: Analysis Static Run Static Analysis, предварительно в опциях задав критерий прочности. В данном случае качестве критерия прочности выбран критерий Мизеса-Хилла. Далее на рисунках 3.1−3.4 приведены результаты статического расчета.

Рисунок 3.1- Результат статического расчета для элерона Рисунок 3.2 — Результат статического расчета в стенке нервюры элерона Рисунок 3.3 — Результат статического расчета в стенке лонжерона элерона Рисунок 3.4 — Результат статического расчета в стенке лонжерона, в месте расположения узла крепления

Ниже приведен список максимальных значений MFIND:

Elem MFIND

1791 1.457 332 015

2385 1.273 082 018

11 955 0.7 142 695 785

12 491 0.6 800 367 832

Определение запаса прочности:

Определение массы конструкции: Control Measure Find mass property Mass = 8.82

По результатам проведенного статического расчета следует то, что условие прочности в данной конструкции не выполняется. А самыми опасными участками являются участки где находятся узлы крепления.

Рисунок 3.5 — Деформация лонжерона

3.2 Расчет устойчивости

Расчет устойчивости конечноэлементной модели производится следующим образом: Analysis Frequency/Buckling Run Buckling, предварительно в Buckling Options задав метод S: Subspase iteration.

Рисунок 3.6 — Перемещение в нижней части элерона Рисунок 3.6 — Перемещение в верхней части элерона По результатам проведенного расчета следует то, что условие устойчивости для данной конструкции выполняется. Коэффициент запаса устойчивости f = 5,11 307. Но по данным рисункам видно, что самые большие перемещения будут в носовой части обшивки.

элерон летательный лонжерон нервюра обшивка

4. ДОРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ

Так как в предыдущем разделе по результатам статического расчета условие прочности не выполнялось, то для повышения прочности необходимо увеличить толщину стенки лонжерона. После этого был проведен повторный статический анализ. Результаты повторного статического анализа приведены ниже на рисунках 4.1 и 4.2.

Рисунок 4.1 — Повторный статический расчет Рисунок 4.2 — Повторный статический расчет для стенки лонжерона Определение запаса прочности для повторного расчета:

По результатам проведенного расчета следует то, что условие прочности для данной конструкции выполняется с коэффициентом запаса 1,5.

Для уменьшения веса данной конструкции были уменьшены толщины стрингеров, ширина стрингеров и толщина обшивки. Результаты расчета на устойчивость приведены ниже.

Рисунок 4.3 — Перемещение в элероне Коэффициент запаса устойчивости f = 3,50 145. В данном случае первым теряет устойчивость задняя часть элерона. Масса данной конструкции составила Mass = 8.6, что на 200 грамм легче предыдущей модели.

ВЫВОД

В ходе выполнения работы была обеспечена прочность и устойчивость элерона к воздействию внешней нагрузки. Для исходной конструкции коэффициент запаса прочности равен k = 0,83, а коэффициент запаса устойчивости f = 5,11. Доработанная модель имеет коэффициент запаса прочности k = 1,5, а коэффициент запаса устойчивости f = 3,5.

Начальная масса элерона составляла 8,82 кг, масса доработанной конструкции составляет 8,6 кг, т. е. масса элерона увеличилась на 2,5%. Еще уменьшить массу можно доведением коэффициентов запаса прочности и устойчивости до значений, близких к единице.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛЕТЕРАТУРЫ

1. В. В. Кириченко. Расчет на прочность элементов конструкций из композиционных материалов. — Учебное пособие по курсовому проектированию. — Харьков: Харьк. авиац. ин — т, 1997. — 201с.