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

• Автор: Шувалов, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 05.07.03, 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 149 с. : ил

Оглавление
Введение

Глава 1. Конструктивные особенности и технология изготовления

бесшарнирного несущего винта вертолета Ансат а

1.1. Анализ конструктивных схем втулок несущих винтов вертолетов

1.2. Конструктивные особенности втулки несущего винта вертолета Ансат.

1.2.1. Описание конструкции втулки несущего винта вертолета Ансат.

1.2.2. Технология изготовления композитного торсиона.

1.2.3. Стендовые испытания втулки несущего винта вертолета Ансат

1.3. Определение механических характеристик материалов, используемых для изготовления торсионов

Глава 2. Методика расчета локальной прочности многослойных

конструкций на базе метода конечных элементов
2.1. Конечный элемент анизотропной теории упругости.
2.1.1. Постановка задачи.
2.1.2. Построение матрицы жесткости
2.2. Многослойный конечный элемент
Глава 3. Исследование напряженнодеформированного и предельного состояния торсиона рулевого винта РВ
3.1. Расчетная схема торсиона РВ
3.2. Результаты расчетов и статических испытании торсиона РВ при
действии различных нагрузок.
3.3. Методика оценки прочности композиционных торсионов.
3.4. Результаты расчетов и испытаний торсиона РВ на прочность при
действии эксш1уатационных нагрузок
Глава 4. Исследование напряженнодеформированного состояния
торсиона несущею винта.
4.1. Расчетная схема торсиона несущего НВ
4.2. Результаты расчетов и статических испытаний торсиона НВ при
действии центробежной нагру зки
4.3. Результаты расчетов и экспериментальных исследований напряженнодеформированного состояния торсиона НВ при изгибе его в плоскости
тяги вверх.
4.3.1. Нагружение торсиона перерезывающей силой в плоскости тяги
4.3.2. Нагружение торсиона сосредоточенным моментом в плоскости тяги.
4.4. Результаты расчетов и экспериментальных исследований напряжен
нодеформированного состояния торсиона НВ при изгибе его в плоскости вращения.
4.5. Результаты расчетов напряженнодеформированного состояния
торсиона НВ при действии эксплуатационных нагрузок.
Заключение
Литература


Особое внимание уделено конструкциям бесшарнирных винтов, проанализированы их достоинства и недостатки. В качестве объекта исследования выбраны конструкции торсионов вертолета «Ансат». Показана технология изготовления этих конструкции, приведена методика определения механических характеристик, необходимых для создания математических моделей. Вторая глава посвящена описанию метода исследования напряженно-деформированного и предельного состояния многослойных композиционных конструкций. При этом степень аппроксимации формы и перемещений была не ниже квадратичной, так как линейные и билинейные элементы не позволяли моделировать криволинейные кромки (в первую очередь - внутренних отверстий). По толщине исследуемая конструкция представляет собой пакет слоев, выполненных из различных материалов (дуралюмин, стеклопластик, резина и другие) с относительно небольшой толщиной каждого слоя. Так как свойства слоев сильно отличаются по прочностным и жестко-стным характеристикам, то при осреднении их свойств по толщине в рамках единой кинематической гипотезы значительная погрешность вносится в описание НДС всего пакета. Поэтому в настоящем расчете используется трехмерная модель с набором конечных элементов но толщине, число которых равно числу слоев из значительно отличающихся материалов. Так как число слоев велико, а толщины малы, то вполне оправданно использовать в поперечном направлении лишь линейную аппроксимацию. Таким образом, базовым в расчетах исследуемой конструкции принимается трехмерный конечный элемент с квадратичной аппроксимацией по двум координатам и линейной - по третьей координате. В третьей главе с использованием разработанной методики исследовано напряженно-деформированное состояние торснона рулевого винта при действии центробежной силы, при изгибе в плоскостях тяги и вращения. Сравнение результатов расчета с результатами статических испытаний торсиона показало, что разработанная методика позволяет рассчитывать напряженно-деформированное состояние многослойных несущих систем с достаточной для инженерных расчетов точностью. С использованием этой методики проведены расчеты напряженного и предельного состояния торсиона рулевого винта для случая «Воздушный порыв», найдены зоны первичного разрушения, которые удовлетворительно совпадают с экспериментальными. В четвертой главе проведен расчет наиряженно-деформировашюго состояния торсиона несущего винта при действии расчетной центробежной нагрузки. Анализ распределений напряжений по поверхности торсиона показывает, что даже для такого простого случая нагружения имеются локальные зоны концентрации напряжений. Проведен расчет напряженно-деформированного состояния торсиона НВ при изгибе его в плоскости тяги перерезывающей силой и сосредоточенным моментом. Изучено распределение нормальных напряжений по толщине НВ в различных сечениях. Рассчитан изгиб торсиона в плоскости вращения, а также при совместном приложении нагрузок, действующих в полете и при стендовых испытаниях на усталость. Достоверность результатов и выводов диссертации обеспечивается корректностью применения хорошо апробированных законов и моделей механики деформирования твердых тел, строгих математических и численных методов решения задач, согласованностью полученных результатов теоретических расчетов с результатами экспериментальных данных и известными результатами, полученными другими авторами. Научная новизна заключается в разработке методики расчета напряженно-деформированного и предельного состояния многослойных композиционных торснонов сложной формы, основанной на применении метода конечных элементов, проведении исследований торсионов рулевою и несущего винтов легкого вертолета «Ансат». Практическая ценность диссертации заключается в разработке эффективных численных методов расчета напряженно-деформированного состояния многослойных композитных конструкций и их реализации в виде комплекса программ для ПЭВМ. С помощью созданных программ проведен расчет ряда реальных композитных авиационных конструкций и даны конкретные рекомендации их разработчикам. Внедрение.