Разработка методики выбора рациональной схемы силовых шпангоутов фюзеляжа истребителя интегральной компоновки

В настоящее время и ближайшие годы сохранится актуальность проектирования летательных аппаратов интегральной аэродинамической схемы. Интегральная компоновка самолета является наиболее характерной для перспективных истребителей. Она наиболее оптимальна, так как отвечает требованиям по маневренности, боевой живучести, размещению оружия и топлива внутри фюзеляжа.

Разработка перспективного истребителя интегральной компоновки показала, что одним из сложных агрегатом планера является хвостовая часть фюзеляжа, где размещаются агрегаты оперения и силовой установки, как правило, с двумя, разнесенными от оси симметрии самолета двигателями. Форма продольных и поперечных сечений фюзеляжа, которая в первую очередь определяется требованиями аэродинамики интегральной схемы, будет значительно отличаться от традиционных. Поэтому проектирование каркаса фюзеляжа самолетов интегральной компоновки является одной из наиболее сложных задач.

Актуальность предлагаемой диссертационной работы заключается в том, что основную сложность при проектировании каркаса планера перспективных истребителей интегральной компоновки представляет проблема выбора рациональной схемы силовых шпангоутов фюзеляжа. Ошибка при проектировании силовых шпангоутов сильно сказывается на весовом совершенстве фюзеляжа и самолета в целом, так как фюзеляж перспективного истребителя обладает большим числом узлов навески агрегатов крыла, оперения и силовой установки. Из этого следует большая массовая доля силовых шпангоутов в конструкции фюзеляжа. Поэтому создание методики выбора рациональной схемы силовых шпангоутов фюзеляжа истребителя интегральной компоновки является актуальным.

Областью исследования является проектирование силовых элементов каркаса фюзеляжа перспективного истребителя интегральной компоновки на начальных этапах и этапе технического проекта.

Целью работы является создание методики выбора рациональной конструктивной схемы шпангоутов в хвостовой части фюзеляжа истребителя интегральной компоновки на начальных этапах проектирования, основанной на сравнении весовой эффективности этих схем.

Научные результаты.

1. Исходя из проведенного статистического анализа форм поперечного сечения и конструкции фюзеляжа истребителей интегральной компоновки, разработана новая классификация конструктивных схем силовых шпангоутов, позволяющая определить область исследований конструкции силовых шпангоутов.

2. На основании проведенных исследований и разработок предложена новая методика выбора рациональной схемы конструкции силовых шпангоутов фюзеляжа истребителя интегральной компоновки, обеспечивающая повышение весового совершенства фюзеляжа и самолета в целом.

Отличительными особенностями предложенной методики являются:

— введение новых параметров формы поперечного сечения силовых шпангоутов для двух альтернативных конструктивных схем и определение влияния этих параметров формы на распределение нагрузки по элементам шпангоута;

— разработка показателя весового совершенства конструкции силовых шпангоутов в виде удельной массы конструкции, статистических и аналитических номограмм зависимости показателя весового совершенства от параметров формыразработка алгоритма использования полученных расчетно-статистических зависимостей для выбора рациональной конструктивной схемы силовых шпангоутов и оценки ее эффективности.

3. Проведение численного эксперимента на моделях конструкции всей хвостовой части фюзеляжа по расчету напряженно-деформированного состояния методом конечного элемента с целью определить влияние параметров формы на распределение нагрузки по элементам шпангоута и продольных балок кессонного типа и, в конечном итоге, подтвердить эффективность предложенной методики.

Практическая значимость результатов состоит в том, что диссертация является теоретической основой улучшения результатов проектно-конструкторских работ на начальных этапах проектирования. Ее использование заключает следующие возможности:

— решение вопроса о выборе рациональной схемы силовых шпангоутов;

— определение возможной весовой отдачи конструктивного решения;

— предварительные данные для расчета конструкции на более глубоком уровне проработки;

— простая процедура использования результатов исследования;

— экономия трудозатрат на начальных этапах проектирования.

Диссертация полезна для решения многих проектно-конструкторских задач, а подход, показанный в работе, применим и для других элементов конструкции самолета.

Достоверность полученных результатов достигается тем, что основные выводы диссертационной работы основаны на сравнении расчетных и аналитических данных со статистическими данными по существующим истребителям. Эффективность результатов подтверждена в апробации методики в базовой организации и во внедрении процедур методики при проектировании перспективного истребителя.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций и списка использованной литературы.

Основные результаты и выводы и рекомендации.

1. Разработана новая методика выбора рациональной схемы силовых шпангоутов истребителя интегральной компоновки, обеспечивающая повышение весового совершенства фюзеляжа и самолета в целом.

2. На выбор конструктивной схемы шпангоута влияют параметры формы поперечного сечения фюзеляжа — удлинение и относительный эксцентриситет. При больших значениях удлинения более предпочтительна схема с кольцом в мотогондольной части. При величине относительного эксцентриситета более 0,6 применение шпангоута с кольцом не рационально, так как неравномерность в загрузке верхнего и нижнего сводов шпангоута приводит к нагружению более протяженной зоны конструкции кольца с меньшими строительными высотами.

3. Проведенный численный эксперимент на моделях конструкции всей хвостовой части фюзеляжа по расчету напряженно-деформированного состояния методом конечного элемента определил влияние параметров формы поперечного сечения фюзеляжа на распределение нагрузки по элементам шпангоута и продольных балок кессонного типа и, в конечном итоге, подтвердил положения предложенной методики.

4. Заключительное решение о выборе той или иной схемы проводится по показателю весовой эффективности — удельной массе конструкции силового шпангоута. Полученное в работе семейство номограмм, зависимость удельной массы от параметров формы поперечного сечения шпангоутов разного типа, дает возможность определить на ранних этапах проектирования рациональную схему силового шпангоута.

5. Существенное значение для выбора рациональной конструкции силового шпангоута играет распределение изгибающего момента между балочной частью шпангоута и элементами силового контура продольных кессонных балок, которое зависит как от геометрических параметров балочной части шпангоута, так и от жесткости контура кессонных балок.

6. В целом, задача выбора рациональной схемы силового шпангоута является комплексной и для ее окончательного решения необходимо рассмотреть и оптимизировать силовую схему всей хвостовой части фюзеляжа до средней части, где расположены силовые элементы центроплана крыла, при нагрузках от двигателя и симметричных и несимметричных нагрузках оперения.

7. Методика выбора рациональной схемы силовых шпангоутов истребителя интегральной компоновки внедрена в ОКБ «Сухого» в процессе разработки перспективного самолета интегральной аэродинамической схемы.

В качестве рекомендаций приведем следующее возможности использования инструментов, полученных в диссертации:

1. При проектировании конструкции узла или силового элемента конструктор имеет входящие проектные параметры:

— геометрические параметры.

— нагрузки на элемент.

Так же, при наличии статистики аналогичных конструкций, конструктор имеет номограммы удельных масс от параметров геометрической размерности и нагрузок.

1) Используя статистику по показателю удельной массы задаться уровнем весового совершенства проектируемого агрегата.

2) Используя номограммы по параметру удельной массы = /(ё, Л) определить в первом приближении (без расчета на прочность) массу проектируемого элемента при конкретном конструктивном исполнении и схеме.

3) Имея подборку вариантов конструкции узла и соответствующие им массы, конструктор может сделать выбор схемы элемента, конструктивного исполнения элемента и даже количества подобных элементов.

2. Влияние контура хвостовых балок учесть еще на начальных этапах проектирования. Для этого необходим параметр удлинения поперечного сечения хвостовой балки.

1) Если удлинение Л> 5, то влиянием контура на разгрузку силового шпангоута можно пренебречь, таки как в кручение переходит не более 25% изгибающего момента;

2) Если удлинение Л <4, то необходим расчет долей момента, остающегося в изгибе и переходящего в кручение. Расчет заменить графоаналитическим методом по графикам, полученным в работе;

3) Если удлинение Л <1,5, то значительная часть изгибающего момента переходит в кручение, однако для этого случая необходим точный расчет долей момента, учитывающий жесткость шпангоута на изгиб и характеристики контура продольных боковых балок.

3.

1).

2).

Учесть влияние строительной высоты балочной части шпангоута в зоне сопряжения с мотогондольной частью. Для этого воспользоваться формулой: Нг 4.

Л/ =0,5 XIX стыка ПС 1.

0,86×1″.

Если соотношение строительной высоты балочной части в зоне стыка с мотогондольной частью и диаметра мотогондольной части шпангоута 0,25, то в мотоотсеке предпочтительнее использовать кольцо;

Если соотношение строительной высоты балочной части в зоне стыка с мотогондольной частью и диаметра мотогондольной части шпангоута Нг.

1 стыка 0,25, то необходимо рассмотреть вариант с арочной балкой;

4. Учесть влияние эксцентриситета балочной части шпангоута относительно мотогондольной части. Для этого воспользоваться диаграммами загрузки сводов, разработанных в диссертации.

1) Если эта неравномерность превышает 0,5, другими словами, если М один свод в два раза более нагружен чем другой? ЕРХ > 0,5, то м низ эффективность кольца низкая;

2) Если эта неравномерность не превышает ~^ЕРХ < 0,5, то в мотоотсеке м низ предпочтительнее использовать кольцо;