Разработка авиационных моделей с использованием полимерных материалов для решения задач аэроупругости

• Автор: Смотрова, Светлана Александровна
• Шифр специальности: 05.07.03, 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Жуковский
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Введение
Для исследования явлений аэроупругости современных летательных аппаратов I и инженерных сооружений в аэродинамических трубах АДТ используют, как известно, динамически ДПМ и упругоподобные модели УГ1М. В России моделирование было развито трудами 1 Попова, В.Н. Беляева, Е.П. Гроссмана, Я.М. Пархомовского, Н.В. Альхимовича, М.С. Галкина, Н.Н. Дорохииа, А.М. Каширина, Б.А. Кирштейна, В.В. Лыщинского, Г.А. Амирьянца, Г.А. Булычева и др. специалистов ЦАГИ и авиационных конструкторских бюро КБ 2, 3, , , , . Изготавливать ДПМ в ЦАГИ начали в конце х годов, когда была освоена технология производства отсечнобалочных динамически подобных моделей .
Сначала в АДТ испытывали отдельные конструктивные элементы моделей I, а затем, когда были разработаны подвески для имитации условий свободного полета, стали испытывать полные модели. Технология производства отсечнобалочных моделей постоянно совершенствовалась, и в настоящее время этот тип ДПМ остается основным при исследовании явлений аэроупругости 1 в дозвуковых АДТ. Данные исследования отличаются наибольшей надежностью и точностью результатов, так как за счет больших размеров дозвуковых АДТ линейный масштаб моделирования может быть относительно большим.
Для испытаний моделей в скоростных АДТ на транс и сверхзвуковых режимах дополнительно необходимо выполнить требование подобия но числу Маха М. Кроме того, усложняется проектирование моделей за счет малых размеров рабочей части таких АДТ. Технология моделирования в скоростных трубах начала разрабатываться еще в ь х годах. Тогда изготавливались как упрощенные модели для получения качественных зависимостей, так и точные ДПМ, повторяющие все детали силовой схемы натурного , гак называемые конструктивно подобные модели. Точные ДПМ позволяли получать надежные количественные результаты. Такие модели изготавливались с применением различных материалов в частности, и пластмасс, и металлов. В г. 1 Дунцсм, Е.М. Рязановым и В.А. Федотовым были разработаны конструктивноподобные сварные металлические модели , отличающиеся
сочетанием легкости и необходимой жесткости. Однако, эти модели по ряду причин не получили широкого применения.
. В последние годы стали успешно разрабатываться модели из полимерных композиционных материалов ПКМ, которые в настоящее время являются наиболее перспективными для развития моделирования , , , поскольку именно такие материалы помогают соблюсти требования подобия модели натурному самолету. К применяемым материалам предъявляются специальные требования по упругожссткостным, эластическим, весовым, теплофизическим, реологическим, экономическим и другим характеристикам. Это связано как с изменениями, произошедшими в последние годы в методике проведения современных исследований явлений аэроупругости на моделях в АДТ, гак и с возросшими требованиями, предъявляемыми к качеству таких изделий и конструкций. Кроме того, современные полимерные материалы и технологии позволяют воплотить в жизнь передовые идеи, разработки и изобретения. Поэтому задача поиска, создания и внедрения новых полимерных материалов с необходимым комплексом свойств, а также современных технологий про из водстваиз дел и й из полимеров для решения задач аэроупругости является актуальной, весьма сложной и перспективной.
Основными этапами современных экспериментальных исследований по аэроупругости в скоростных АДТ являются
1 автоматизированное проектирование и изготовление моделей из композиционных материалов,
2 тестирование образцов, частотные и жесткостные испытания деталей элементов, агрегатов образцовсвидстелсй и всей модели в целом,

3 применение устройств, обеспечивающих безопасность моделей при испытаниях в АДТ,

4 оснащение эксперимента мощной информационноизмерительной техникой,

5 применение экстраполяционных методов оценки границы флаттера.
6 корректирование математической модели конструкции ЛА но результатам проведенных жесткосгных и частотных испытаний.
Цель работы разработка современной технологии изготовления динамически подобных моделей ЛА и их агрегатов с использованием полимерных материалов с требуемыми свойствами для решения задач аэроупругости в АДТ.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи
1. Разработаны состав полимерного связующего и температурный режим отверждения перьевых законцовок крыла из углепластика УП для аэродинамической модели самолета АЗХХ, обеспечивающие необходимую деформационную теплостойкость и сохранение геометрических форм конструкции.
2. Разработана технология и применен на практике эластомерный материал для изготовления конструкции панели адаптивной несущей поверхности для органов управления на ДПМ Е1Л1АМ европейского магистрального самолета.
3. Разработана технология изготовления элементов ДПМ перспективных отечественных ЛА с использованием полимерного пеноматериала, обладающего комплексом необходимых свойств, методом заливки в полость, ограниченной матрицей.
4. Исследована эффективность модели демпфера, разработанного в ЦАГИ с использованием высоковязкого полимерного материала для гашения паразитных колебаний элементов моделей например, органов управления, двигателей на пилонах и подвесных устройств в АДТ, отличающегося простотой и надежностью.
Актуальность


Вовторых, была разработана достаточно простая технология заливки в специально изготовленную полимерную матрицу полиуретанового эластомера. Кроме того, произведен подбор компонентов связующего для изготовления жестких элементов каркаса и материалов армирующего наполнителя для изготовления упругих элементов и оболочки каркаса панели АНП. Получены опытные образцы адаптивных элементов конструкции. Расчеты резонансных частот и форм колебаний, прогибов конструкции под действием аэродинамической нафузки, а также расчет на потерю устойчивости показали удовлетворительную работу такой конструкции. Конструкция панели АНП, установленная па элероне ДПМ крыла, успешно прошла испытания в АДГ Т3 ЦАГИ. Для сравнения аэродинамических характеристик были проведены испытания ДПМ крыла с обычным внутренним элероном. Для изготовления элементов конструкции ДПМ перспективных отечественных самолетов, испытываемых как в дозвуковых, так и трансзвуковых АДТ, предлагается внедрить разработанные автором технологии с использованием заливочных пенополиуретанов ППУ взамен использования блочных полистирольных ПС и поливинилхлоридных ПВХ пснопластов. Последние применяются в качестве заполнителей и для создания обводообразующих поверхностей. Необходимость усовершенствования технологии изготовления ДПМ связана с появляющейся возможностью уменьшить большой расход материалов, уменьшить долю ручного труда, при этом сократив затраты времени на изготовление конструкции ДПМ, избежать хрупкости пснопластов и повысить их теплостойкость. Кроме того, в настоящее время начат выпуск малогабаритных передвижных заливочных установок, которые содержат в себе устройства по точному дозированию полиольных компонент А и изоцианатных компонент Б компонентов и их смешению, что создаст условия для изготовления ДПМ в лабораторных условиях. Подбор соответствующей марки ППУ обеспечит упругость, легкость, лсжкость и необходимую теплостойкость в сочетании с гладкой обводообразующей аэродинамической поверхностью модели. Как известно, в технике проблему гашения опасных колебаний и вибраций, как правило, решают с помощью применения специальных устройств демпферов и динамических гасителей колебаний, которые в настоящее время изготавливаются с широким использованием вибропоглощающих полимерных материалов ВПМ . АДТ, но и для устранения вибрации наземных инженерных конструкций высотных зданий и протяженных сооружений, например, мостов и др. Исследования гидравлических демпферов с целью устранения флаттерных колебаний органов управления на самолетах были проведены еще М. В. Келдышем совместно с Я. М. Пархомовским и И. И. Слсзипгсром в г . Летные испытания подобранных и испытанных сначала в АДТ ЦАГИ демпферов проводились на самолете Як1. Испытания на флаттер показали, что гидравлические демпферы, разработанные в ЦАГИ, гарантируют самолет от появления этого опасного явления аэроупругости. Однако такие демпферы имели большой недостаток, заключающийся в необходимости усложнения конструкции и установки термокомпенсатора в связи с увеличением сопротивления перетеканию жидкости при увеличении коэффициента вязкости изза понижения температуры и наоборот. В качестве рабочих жидкостей в таких демпферах использовались спиртоглицериновые смеси, нефтяные масла или, в лучшем случае, крсмнийорганнчсские жидкости низкой вязкости. Использование современных кремнийорганических полимеров, обладающих высокой вязкостью при нормальных условиях, небольшим изменением вязкости при изменении температуры окружающей среды, высоким уровнем демпфирования в широком диапазоне температур, позволит избежать этих проблем. Показанаихпрямая зависимость. Дана постановка задачи в рамках создания модели компактного, легкого и эффективного демпфера для гашения колебаний органов управления, двигателей на пилонах, модели на подвеске. В связи с этим была выявлена необходимость поиска полимерного материала для использования его в качестве рабочего тела, обладающего всеми необходимыми для этого свойствами. Проведен обширный теоретический обзор промышленно изготавливаемых в настоящее время ВПМ и конструкций на их основе.