Проектирование силовых шпангоутов

Курсовой проект по автоматизации проектирования ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ ШПАНГОУТОВ

Задание

Постановка проектной задачи: имеется консольная круговая цилиндрическая каркасированная оболочка длиной L = D, нагруженная на свободном торце.

Рис. 1

Используется материал со следующими характеристиками:

· модуль упругости, E = 70 000 МПа,

· коэффициент Пуассона, nu = 0.3,

· допускаемое напряжение, [у] = 300 МПа,

· плотность 2700 кг/м³.

Случай нагружения фюзеляжа представлен на рисунке:

Рис. 2

Исходные данные:

· Р = 1 000 000 Н,

· b = 1500 мм,

· R = 3000 мм

· L = 6000 мм.

Требуется найти рациональную конструкцию силового шпангоута. Задача решается с использованием системы NASTRAN.

Реферат

Силовой шпангоут, потоки главных усилий, оптимизация, целевая функция, конечноэлементная модель, тонкостенная конструкция, оптимальная конструкция, жесткость, силовой фактор

Целью данной курсовой работы является практическое освоение технологии автоматизированного проектирования силовых конструкций.

Главная задача курсовой работы — поиск наилучшей силовой схемы шпангоута для соответствующего случая нагружения.

Универсальность пакета NASTRAN обеспечивается, прежде всего, методом конечных элементов, который используется в качестве основного метода для расчета оптимизируемых характеристик или характеристик конструкции, на которые наложены ограничения. Именно метод конечных элементов позволяет рассчитывать произвольные пространственные конструкции на широкий спектр воздействий и определять их прочностные, деформационные и динамические характеристики.

В проекте используются одномерный элемент FEMAP — ROD (стержень) и двумерный элемент MEMBRANE (мембрана).

ROD — одноосный элемент, работающий на растяжение, сжатие и кручение, передача сдвига и изгиба невозможна.

MEMBRANE — элемент, воспринимающий нормальные и касательные усилия, действующие только в плоскости этого элемента.

шпангоут напряжение итерация

1. Построение модели зашитого шпангоута

Для первоначального анализа строим простейшую модель в виде цилиндра заданного радиуса R = 3000 и длины L=6000 мм. Модель строится с помощью геометрических приложений пакета программ NASTRAN.

Задаются параметры материалов, из которых изготавливаются соответствующие части модели.

Строится сетка конечных элементов, которые по возможности должны быть представлены четырехугольниками, приближенными к правильной форме.

К модели прикладываются заданные нагрузки P, а также указываются необходимые закрепления.

Проводится анализ модели, в результате которого выявляются зоны шпангоута с наибольшей концентрацией напряжений, распределение толщин материала, потоки главных усилий, а также разброс значений этих величин.

Проводится оптимизация модели численными методами с помощью пакета программ NASTRAN. После этого фиксируются значения силового фактора и объема материала, которые будут использоваться в качестве критериев сравнения других вариантов конструкции шпангоута с теоретически оптимальной конструкцией.

На рисунке 3 изображен вид спереди простейшей модели шпангоута — цилиндра радиуса R = 6000 мм с приложенными нагрузками P = 1 000 000 кН. На рисунке 4 изображена изометрия простейшей модели шпангоута.

Далее проводится статический анализ, в результате которого получается картина распределения напряжений (рис. 5).

Полученные напряжения нельзя назвать приемлемыми. Для уменьшения напряжений делается оптимизация конструкции по условиям прочности.

После оптимизации напряжения выравниваются, картина их распределения меняется. Распределение напряжений указано на рисунке 6.

Рис. 3 — Модель шпангоута, вид спереди

Рис. 4 — Модель шпангоута, изометрия

После оптимизации изменилось и распределение материала в конструкции (рис 7).

Рис. 5 — Картина распределения главных напряжений

Рис. 6 — Распределение напряжений после оптимизации

Рис. 7 — Картина распределение толщин материала

Видно, что в тех местах, где до оптимизации были большие напряжения, толщина шпангоута увеличилась, что привело к уменьшению напряжения.

Также было получено распределение потоков главных усилий (рис. 8).

Рис. 8 — Распределение ПГУ (потоков главных усилий)

По полученным данным видно, что наибольшая толщина и наибольшее скопление главных усилий наблюдается в местах приложения силы, а по мере удаления от этих мест сводятся к минимуму. На основе этого разрабатывается рациональная модель конструкции.

Рис. 9 — Изменение силового фактора от числа итераций

2. Построение интуитивного варианта конструкции шпангоута

На основании анализа модели шпангоута с «глухой» стенкой строится модель, которая должна быть интуитивно лучшей, чем предыдущая. Главными критериями сравнения, как уже указывалось выше, должны стать значение силового фактора и масса конструкции (объем материала).

Построение модели интуитивного шпангоута проводится в том же порядке, что и для модели с «глухой» стенкой.

Фиксируются значения силового фактора и объема материала.

Модель шпангоута, в которой толщина обшивки 1 мм, толщина стенки, где приложены силы, 1 мм.

Далее проводится статический анализ, в результате которого получается картина распределения напряжений (рис. 10).

Рис. 10 — Картина распределения главных напряжений

3. Построение рациональной модели шпангоута

Основываясь на результатах анализа интуитивной модели шпангоута, в конструкцию последнего вносятся необходимые коррективы, направленные на уменьшение значения силового фактора, а также количества материала конструкции — таким образом, строится наиболее рациональная модель конструкции шпангоута.

Далее проводится статический анализ, в результате которого получается картина распределения напряжений (рис. 11).

Рис. 11 — Картина распределения главных напряжений

4. Построение модели традиционного шпангоута

Модель традиционного кольцевого шпангоута строится для проверки конкурентоспособности нового «рационального» шпангоута. Сравнение проводится с использованием тех же критериев технологичности и оптимальности конструкции: силового фактора и количества материала.

Для оценки влияния соотношения жёсткостей оболочки и шпангоута на распределении внутренних усилий в зоне их контакта выполним расчёты шпангоута с толщиной обшивки 1 мм.

Рис. 12 — Картина распределения главных напряжений

5. Сравнение результатов

Зашитая модель (ТОК):

G = 5,8234•10⁹ Н· мм

V=2,8226•10⁷ммі

m= 5.2711•10¹

Интуитивная модель:

G = 6,5734•10⁹ Н· мм

V=1,9970 •10⁷ммі

m= 5.3919•10¹кг

Рациональная модель:

G = 6,4451•10⁹ Н· мм

V=4,9449 •10⁷ммі

m= 4,5715•10¹

Традиционная модель:

G = 7,3776•10⁹ Н· мм

V=5,3700 •10⁷ммі

m= 7.3776•10¹кг

Эти результаты были достигнуты численными методами, то есть оптимизацией с малым количеством итераций. В свою очередь, оптимизация представляет собой перераспределение материала по конструкции, что технологически усложняет изготовление модели.

Рис. 11 — Гистограмма значений силового фактора: 1.int 2.trad 3. TOK 4.rat

Заключение

В процессе выполнения данной работы была практически освоена технология автоматизированного проектирования силовых конструкций. Была найдена лучшая силовая схема шпангоута для заданного случая нагружения.

Список использованных источников

1. Болдырев А. В., Комаров В. А. Автоматизированное проектирование силовых шпангоутов. [Текст]: методические указания, 2010.

2. В. А. Комаров — Самара.: Самар. Гос. аэрокосмич. ун-т., 2014. — 40 с.