Разработка методики расчета напряженно-деформированного и предельного состояния многослойных композиционных торсионов бесшарнирных винтов вертолетов

Вертолеты начали широко применяться в авиации России с начала 50-х годов и сегодня, благодаря своим уникальным возможностям, стали необходимым элементом транспортной и производственной системы ряда регионов. Они используются для транспортировки грузов и вахтовых бригад в отдаленные районы, выполняют краново-монтажные и сельскохозяйственные работы, участвуют в тушении пожаров. Очень важная роль отводится вертолетам при ведении боевых действий. Спектр задач, которые выполняют вертолеты, постоянно расширяется. Они необходимы для патрулирования лесов, газо — и нефтепроводов, линий электропередач и автомобильных дорог, есть потребность в административных и санитарных вариантах вертолетов. Объемы выполняемых ими работ в последние годы неуклонно растут [1].

В связи с этим особенно остро встает вопрос о повышении экономичности вертолетов, их конкурентоспособности, улучшении летных характеристик.

Для повышения летных характеристик вертолета наряду с улучшением общей аэродинамики и более рационального выбора основных параметров большое значение имеет совершенствование несущей системы.

Несущий винт является одним из главных агрегатов вертолета, определяющим его основные летно-технические и эксплуатационные характеристики. В мировой практике накоплен достаточно обширный опыт создания несущих винтов, и в первую очередь, их втулок. При этом каждая конкретная фирма, как правило, применяет втулки определенной конструкции. Наиболее широко используется классическая схема втулки с креплением лопастей с помощью горизонтального, вертикального и осевого шарниров (ГШ, ВШ, ОШ). При проектировании этих агрегатов необходимо обеспечить достаточную прочность и надежность при минимальной массе. Разрешение этого противоречия является одной из основных проблем, оно осуществляется в про5 цессе расчета, проектирования и экспериментальной отработки как конструкции в целом, так и отдельных ее элементов.

Успешное решение этой проблемы определяется прежде всего степенью полноты и достоверности информации, которой располагает конструктор, относительно взаимосвязи между геометрическими параметрами конструкции, свойствами материала и допустимым уровнем ее нагружения. Эта взаимосвязь учитывается в процессе расчета на прочность конструкции и ее элементов, который предусматривает определение расчетных нагрузок, выбор расчетных схем и моделей, анализ напряженно-деформированного состояния, устойчивости и динамического поведения отдельных моделей и их совокупности, переход от расчетных моделей к реальным объектам и оценку их работоспособности. Наличие широкого класса расчетных схем, моделирующих элементы конструкций самого различного назначения требует достаточно сложного математического аппарата, методов, необходимых для решения вопросов напряженно-деформированного состояния и динамического поведения моделей.

Классический несущий винт с шарнирной втулкой стал основой для развития отечественного и мирового вертолетостроения. Более 40 лет практических достижений в этой области виднейшие ученые и разработчики вертолетов посвятили исследованиям и анализу особенностей конструкций вертолетов.

В области аэродинамики несущей системы родоначальниками исследований можно назвать работы Н. Е. Жуковского [34], Б. Н. Юрьева [80] и далее их последователей С. М. Белоцерковского [9], Е. С. Вождаева [17], В.И. Шай-дакова [74] и др. В области динамики и прочности работы — М. Н. Тищенко [69], А. Ю. Лисса [40], A. U, Бравермана [10], Л. Н. Гродко [29], Б. Н. Бурцева [15], З. Е. Шнурова [75]. Среди более поздних работ, связанных с учетом нелинейной упругости лопастей можно отметить работы В.А. Павлова[57], С. А. Михайлова [46], Р. А. Михеева [48]. 6.

Кроме этого, достижения в области проектирования несущих винтов отражены в статьях, монографиях, обзорах И. П. Братухина [12], A.M. Володко [18], Н. И. Камова [36], M.JI. Миля, А. В. Некрасова [46, 47], А. С. Бравермана, JI.H. Гродко, М. А. Лейканда [43, 44], А.Р. С. Брамвелла [11], У. Джонсона [31, 32], А. Гессоу, Г. Мейерса [20], П. Р. Пейна [59] и других работах отечественных и зарубежных авторов.

Современные тенденции требуют от вертолета повышения его потребительских качеств, уменьшения уровня шума, повышения маневренности и, самое главное, удешевление стоимости его эксплуатации. Это возможно при условии совершенствования несущей системы вертолета совместно с широким применением композиционных материалов, увеличивающих ресурс агрегатов.

В последнее время большой интерес проявляется к упрощенной конструкции втулки несущего винта, в которой шарниры заменяются упругими элементами — торсионами. При креплении лопастей к втулке посредством торсионов последние воспринимают действующие на лопасти центробежные силы и позволяют лопастям отклоняться в плоскости взмаха и в плоскости вращения. Такое усовершенствование направлено на повышение ресурса работы, снижения эксплуатационных расходов и улучшения качества управляемости и маневренности, особенно в сложных погодных условиях.

В настоящее время существует несколько типов упругих элементов, применяемых в бесшарнирных втулках несущих винтов. Конструктивно все типы зависят от того, как разработчик справляется с решением всех функциональных задач такой втулки: разделение колебаний лопастей винта в плоскостях взмаха, вращения и при крученииобеспечение частотной отстройки колебаний лопастей, обеспечение потребного уровня деформирования лопастей в соответствующих плоскостях, обеспечение необходимого ресурса агрегата по условиям усталостной прочности. Эти условия накладывают большие требования к упругому элементу, требуют применения в его 7 конструкции чередующихся слоев металла, композита и резины. В зависимости от жесткостных характеристик таких элементов в значительной степени зависит нагруженность лопасти и уровень ее упругого деформирования.

Это требует наличия у производителя высоких технологий изготовления таких конструкций, совершенных методик их расчета и современных средств испытаний.

Отсутствие надежных и достаточно простых методов расчета сдерживает широкое применение этой схемы, особенно в случае использования композиционных материалов.

На стадии выбора проектных параметров упругой балки, в зависимости от уровня нагрузок на лопасть и систему управления, математическая модель пространственного деформирования лопасти на упругой подвеске должна учитывать возможность появления достаточно больших упругих перемещений, а это связано с использованием геометрически нелинейных соотношений.

Исследований, посвященных этой проблеме, сравнительно мало.

В работе [85] в историческом аспекте проведен краткий обзор методов анализа статического и динамического поведения, основанных на инженерных балочных теориях. Отмечено, что настоящий период характеризуется включением в анализ учета анизотропии свойств конструкции лопасти в связи с применением композиционных материалов и бесшарнирного упругого крепления лопастей. В работах [84, 86, 87, 90, 91,93] в рамках стержневой модели рассматривается расчет напряженно-деформированного состояния композитных лопастей и элементов конструкций с учетом деформации поперечного сдвига.

Высокие маневренные характеристики вертолета с бесшарнирным винтом подразумевают более жесткую связь между управляющим усилием и нагрузкой, чем на шарнирном винте. С появлением таких конструкций несущей системы допущения, принятые для шарнирного винта, неоправданы. 8.

Численный анализ особенностей геометрически нелинейной модели деформирования упругой оси лопасти бесшарнирного винта проведен в работе С. А. Михайлова [46].

Комплексная математическая модель пространственной и аэроупругой балансировки одновинтового вертолета разработана A.M. Гирфановым [22]. Им выполнено комплексное исследование влияния упругости лопастей и способов моделирования заделки лопастей бесшарнирного несущего винта на балансировочные характеристики вертолета.

При создании математической модели поведения лопастей бесшарнирных винтов необходимо учитывать жесткостные характеристики торсиона.

В работе А. И. Туркиной [70] рассмотрены вопросы прочности упругих элементов несущего винта вертолета (торсионов и эластомерных подшипников). При этом для торсиона используется стержневая модель КирхгофаКлебша в линейной постановке.

Работы [54, 55, 65, 66] посвящены расчету напряженно-деформированного состояния универсального торсиона несущего винта вертолета, представляющего собой стержневую многослойную композитную конструкцию. В рамках сдвиговой модели С. П. Тимошенко выводится система нелинейных дифференциальных уравнений упругого деформирования торсиона и граничных условий. В предположении отсутствия распределенной нагрузки по длине получено аналитическое решение для отдельного стержня и определены границы этого решения. Отмечено, что касательные напряжения в модели типа С. П. Тимошенко в общем случае не удовлетворяют статическим граничным условиям на боковой поверхности стержня и, следовательно, требуются уточнения. В связи с этим решены задачи определения касательных напряжений и жесткостей многослойного стержня при сдвиге и кручении.

В работе А. Ю. Лисса [41] уточнен подход, предложенный в работе [65] и разрабатывается теория и методика расчета торсиона балочного типа на изгиб в двух плоскостях и кручение. Показано, что растяжение торсиона суще9 ственно влияет на его деформации. Проведен расчет торсиона при совместном действии изгибающих моментов в двух плоскостях, показано, что сложный характер деформаций торсиона требует особого подхода при тензоизме-рении в процессе испытаний вертолета. Используемые расчетные методы позволяют получить удовлетворительные результаты на основе известных физико-математических моделей механики деформируемых тел. Поскольку модели строятся с использованием ряда предположений и в приближенных значениях входящих параметров, то численные решения могут не обладать необходимой точностью. Поэтому в процессе проектирования и доводки деталей (изделий) результаты расчета должны подтверждаться соответствующими экспериментальными исследованиями. Это, в свою очередь, накладывает высокие требования к эксперименту, большое значение имеют характеристики испытательных машин, способы приложения нагрузки, постоянство нагрузки по величине и направлению, применение высокоточной аппаратуры, ЭВМ для регистрации и обработки результатов измерений и других условий.

Авторами [49] применены современные компьютерные технологии для автоматизации наземных прочностных испытаний упругой балки. К ним относятся статические испытания, во время которых нагрузки последовательно увеличиваются вплоть до разрушения и испытания на сопротивление усталости, при которых оценивается способность конструкции противостоять действующим в процессе эксплуатации повторяющимся нагрузкам.

В статье [81] рассмотрена оценка допустимой усталостной прочности и обоснование допустимых повреждений для композитных элементов бесшарнирного несущего винта вертолетов ВО 105, ВК 115 и ВК 117 С-2. Обращается внимание на то, что для каждого вида повреждений, статических и усталостных, поведение конструкции индивидуально и совершенно по разному зависит от технологии изготовления.

На вертолете «Ансат» применен упругий элемент балочного типа с использованием многослойной тканевой композиции и низкомодульных вяз-коупругих материалов. За счет соответствующей механической обработки.

10 обеспечивается многоканальная передача нагрузок на центральную часть втулки. Вязкоупругий материал между тканевыми пакетами обеспечивает за счет сдвига работу пакетов в условиях, приближенных к одноосному «растяжению-сжатию» при колебаниях лопасти в плоскости взмаха. Разделение торсиона продольными прорезями на «ручьи» обеспечивает приемлемый уровень напряжений при работе лопасти на изгиб в плоскости вращения и при кручении. Демпфирование обеспечивается соответствующим подбором материалов в композитных пакетах и их укладкой. Для того, чтобы определить его НДС с достаточно высокой степенью точности, необходимо использовать метод конечных элементов с такой сеткой конечных элементов, которая в должной мере воспроизводила бы все особенности формы (вырезы, переходы, галтели и другие).

Целью работы является:

— разработка и реализация эффективных численных методов расчета напряженно-деформированного и предельного состояния многослойных композиционных конструкцийприменение созданных методов и разработанного на их основе комплекса программ для ПЭВМ к расчету втулок бесшарнирных винтов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 93 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния многослойных композиционных конструкций с использованием метода конечных элементов. Базовым в расчетах принимался трехмерный конечный элемент с квадратичной аппроксимацией по двум координатам и линейной по третьей.

2. На основе созданного программного обеспечения исследовано напряженно-деформированное состояние торсионов бесшарнирных винтов вертолета «Ансат» при действии различных нагрузок.

3. Проведено сравнение результатов расчета с результатами статических испытаний торсионов, которое показывает, что созданное программное обеспечение позволяет рассчитывать напряженно-деформированное состояние многослойных композиционных торсионов с достаточной для инженерных расчетов точностью.

4. Разработана методика оценки прочности торсиона на основе феноменологического критерия прочности, учитывающего различные механизмы разрушения.

5. Проведены расчеты предельного состояния торсионов бесшарнирных винтов при действии эксплуатационных нагрузок.