Башаров Евгений Анатольевич. Разработка расчетного метода выбора рациональных проектных параметров упругого торсиона из композиционных материалов втулки несущего винта вертолета с учетом эксплуатационных расчетных случаев

brief description

Башаров, Евгений Анатольевич. Разработка расчетного метода выбора рациональных проектных параметров упругого торсиона из композиционных материалов втулки несущего винта вертолета с учетом эксплуатационных расчетных случаев : диссертация ... кандидата технических наук : 05.07.03 / Башаров Евгений Анатольевич; [Место защиты: Моск. гос. авиац. ин-т].- Москва, 2011.- 225 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/3099

Министерство образования и науки Российской Федерации
Московский авиационный институт
(государственный технический университет)
РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОГО МЕТОДА ВЫБОРА
РАЦИОНАЛЬНЫХ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ УПРУГОГО
ТОРСИОНА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ВТУЛКИ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА С УЧЕТОМ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РАСЧЕТНЫХ СЛУЧАЕВ
Специальность: 05.07.03 - Прочность и тепловые режимы
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор Дудченко А.А.
На правах рукописи
04.2.01 1 6 3 8 1 2 "

Башаров Евгений Анатольевич
летательных аппаратов
Москва -2011

СОДЕРЖАНИЕ:
Введение 4
ГЛАВА 1. Постановка задачи оптимального проектирования упругого слоистого торсиона из композиционных материалов 12
1.1 Постановка задачи исследования в физическом виде 12
1.1.1 Схема нагружения упругого слоистого торсиона 14
1.1.2 Описание конструкции торсиона в составе втулки несущего
винта и выбор прототипа 17
1.1.3 Обоснование критериев, параметров и ограничений 19
1.2 Постановка задачи исследования в математическом виде 22
1.2.1 Обзор существующих методик оптимального проектирования
и кинематических моделей деформирования изделий из КМ 22
1.2.2 Математическая модель оптимизационной задачи
проектирования упругого торсиона из композиционных материалов 28
1.2.3 Упрощения и их обоснование 28
1.3 Выбор материала для упругого торсиона 29
ГЛАВА 2. Расчетные методики исследования торсиона при статическом
нагружении с учетом эксплуатационных расчетных случаев 32
2.1 Статический расчет слоистого торсиона прямоугольного сечения
на основе кинематической модели прямой линии 32
2.2 Статический расчет слоистого торсиона прямоугольного сечения
на основе кинематической модели ломаной линии 37
2.3 Сравнительный анализ результатов расчетов, полученных
различными методиками 44
2.4 Учет стеснения депланации сечения при закручивании упругого
торсиона из композиционных материалов 47
2.5 Особенности статического расчета слоистого торсиона различного
поперечного сечения рабочей части 53
2.5.1 Особенности расчета торсиона круглого сечения 53
Ои-
1

2.5.2 Особенности расчета торсиона эллиптического сечения 58
2.5.3 Особенности расчета торсиона многоконтурного сечения 62
2.5.4 Особенности расчета торсиона крестообразного сечения 71
2.6 Сравнительный анализ жесткостных и прочностных характеристик
упругого торсиона различного поперечного сечения с результатами расчета в среде MSC.Nastran, используя метод конечных элементов 77
2.6.1 Сравнительный анализ изгибной и крутильной жесткости
торсиона различного поперечного сечения 77
2.6.2 Сравнительный анализ изгибной и крутильной жесткости
торсиона различного поперечного сечения 80
2.6.3 Сравнительный анализ напряженного состояния при нагружении
торсиона различного поперечного сечения 89
ГЛАВА 3. Расчетно-экспериментальные исследования поведения упругой линии при нагружении балки с существенно различающейся слоевой жесткостью 105
3.1 Особенности исследования и расчетного метода 105
3.2 Описание поставленного эксперимента и опытной установки 109
3.3 Сравнительный анализ полученных расчетных и опытных
результатов исследования и выводы 112
ГЛАВА 4. Исследования динамических характеристик упругого слоистого торсиона различного поперечного сечения из композиционных материалов и запаса адгезионной прочности слоев 119
4.1 Расчет собственных частот колебаний упругого торсиона различного
поперечного сечения 119
4.2 Исследование демпфирующих характеристик упругого торсиона
различного поперечного сечения 132
4.3 Сравнительный анализ динамических характеристик упругого
слоистого торсиона различного поперечного сечения 145
2

4.4 Расчет теплообразования в слоях резины торсиона при циклическом
нагружении 148
4.5 Расчет адгезионной прочности слоев композита и резины на границе
раздела слоев упругого слоистого торсиона 161
4.6 Оценка запаса адгезионной прочности слоев и долговечности
упругого слоистого торсиона различного поперечного сечения 169
Глава 5. Алгоритм проектирования упругого торсиона и выработка проектных рекомендаций и предложений по выбору рациональных параметров торсиона на этапе первоначального проектирования 170
5.1 Выбор целевой функции и построение оптимизационной задачи 170
5.2 Алгоритм проектирования торсиона,на примере определения оптимальных геометрических параметров торсиона прямоугольного
сечения. 171
5.3 Особенности оптимального проектирования слоистого торсиона
различного поперечного сечения 178
5.4 Рекомендации по выбору вида композиционного-материала
и резины 183
5.3.1 Рекомендации по выбору композиционного материала 183
5.3.2 Рекомендации по выбору резины 184
5.4 Рекомендации по конструктивным методам улучшения
статической и усталостной прочности упругого торсиона 185
5.5 Рекомендации по технологическим методам улучшения
прочностных характеристик упругого торсиона 187
5.6 Рекомендации по отводу теплообразования в резиновых слоях
торсиона и методах увеличения адгезионной прочности слоев при циклическом нагружении 188
Заключение 189
Список источников 192
Приложения

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наиболее существенные научные результаты, полученные в диссертационной работе:
1. В рамках единого подхода разработан расчетный метод оптимального проектирования и выбора рациональных проектных параметров слоистой - балки типа торсион из КМ различного поперечного сечения с учетом эксплуатационных расчетных случаев, который может быть применен на стадии первоначального проектирования торсионных втулок несущих винтов перспективных вертолетов;
2. Разработана методика уточненного расчета НДС упругого торсиона из КМ при сложном нагружении, на основе кинематической модели ломаной линии с учетом сдвига по толщине, стеснения депланации сечения при кручении торсиона, влияния растягивающей силы, демпфирования и нагрева слоев при циклических колебаниях и возможного расслоения. С ее помощью было исследовано НДС упругого торсиона различного конструктивного исполнения;
3. Произведен поиск рациональных конструктивных схем упругого торсиона из КМ и разработаны конкретные рекомендации и предложения по выбору параметров для рассмотренных конструктивных схем;
4. Проведены экспериментальные исследования образца трехслойной балки с существенно различающейся слоевой жесткостью и дано объяснение появление нетривиальных видов упругой линии при нагружении упругого торсиона;
5. Проведено расчетное исследование теплообразования в слоях резины торсиона и его влияние на усталостное расслоение, а также определены запасы адгезионной прочности слоев при расчете торсионов из КМ различного поперечного сечения.
В ходе проведенных исследований были сделаны основные выводы:
- в результате сравнительного анализа моделей прямой и линии и ломаной линии в линейной постановке, форма прогиба слоистой балки типа торсион близка к форме прогиба изотропной балки для большинства схем. Причем погрешность результатов
189

расчетов для балки постоянного поперечного сечения при расчете различными уточняющими методами в линейной постановке составляет не более 10 %.
- стеснение депланации сечения в районе закрепления балки приводит к существенно неравномерному распределению деформаций и вызывает кон¬центрации напряжений в угловых точках сечения, которые необходимо учитывать при расчете упругого слоистого тор сиона.
- сравнение результатов расчета с результатами полученными в NASTRAN и опытными данными показало, что разработанные методики позволяют рассчитывать напряженно-деформированное и предельное состояние многослойных несущих систем с достаточной для инженерных расчетов точностью.
- сравнение статических и динамических характеристик слоистых торсионов различного поперечного сечения показало, что наилучшими характеристиками по большинству принятых требований и ограничений обладают торсионы прямоугольного, эллиптического и крестообразного сечений.
- при проведении эксперимента установлено, что при поперечном изгибе трехслойной балки ее упругая линия в случае, закрепления слоев балки со свободным краем имеет ярко выраженную нетривиальную S -образную форму. Эту особенность деформирования упругой линии слоистых балок типа торсион следует учитывать при расчете усталостной прочности.
- при сравнительном анализе коэффициентов и мощностей диссипации пакета КМ слоистой балки типа торсион различного поперечного сечения было установлено:
1) Лучшими демпфирующими свойствами при изгибных колебаниях в плоскости наименьшей жесткости обладают балки многоконтурного и прямоугольно сечения из углепластика;
2) Лучшими демпфирующими свойствами при изгибных колебаниях в плоскости наибольшей жесткости обладают балки прямоугольного и эллиптического сечения из углепластика и комбинированного материала;
3) Лучшими демпфирующими свойствами при крутильных колебаниях обладают балки эллиптического и многоконтурного сечения из углепластика.
190

- при циклическом кручении наблюдается активный рост тепловыделения в слоях балки типа торсион от депланации, причем в сечениях незамкнутого профиля эта тенденция более выражена. Значительная сдвиговая деформация слоев резины может приводить к образованию локальных зон нагрева слоев КМ и служить причиной усталостного отслоения, в связи с нарушением адгезионной прочности слоев торсиона. Поэтому, предложенный аналитический расчет величин нагрева слоев резины торсиона, имеет практическую ценность при прогнозировании ресурса слоистых торсионов из КМ.
- из сравнительного анализа по запасу адгезионной прочности слоев* торсиона прямоугольного сечения видно, что торсион из углепластика наряду с меньшими габаритами и весом имеет еще и максимальный запас по адгезионной прочности. Это связано с хорошей теплопроводностью углепластика и малыми значениями продольных деформаций по сравнению со стеклопластиком.
Результаты диссертационной работы могут представлять теоретический и практический интерес при проектировании слоистых торсионов бесшарнирных втулок НВ перспективных вертолетов на этапе первоначального проектирования; с учетом эксплуатационных расчетных случаев. С помощью вариационного подхода можно построить большинство аналитических решений задач сложного нагружения слоистой балки типа торсион, так как в расчетных соотношениях получается прямая связь между напряжениями и жесткостными характеристиками. Аналитический подход значительно экономит время расчета по сравнению с численными методами.
Проектируя изделия из ПКМ можно создать рациональную, равнопрочную конструкцию с высокими удельными характеристиками в отношении статической и усталостной прочности путем подбора соответствующей структуры материала с необходимыми свойствами по направлениям основных силовых потоков.
Разработка методов оптимального проектирования агрегатов из КМ является в настоящее время чрезвычайно важной составляющей процесса широкомасштабного и эффективного внедрения КМ в конструкцию вертолёта.