Численное и экспериментальное исследование напряженно-деформированного и предельного состояния многослойных композитных деталей несущих систем вертолетов

Повышение качества и надежности выпускаемой продукции является одной из важнейших народнохозяйственных проблем. Особенно остро она стоит в отраслях промышленности, производящих изделия ответственного назначения, где аварии, вызванные применением дефектных деталей и узлов, связаны с огромными материальными потерями и человеческими жертвами.

В 50 — х годах прошлого столетия в авиационной и других отраслях пром. пиленности начали широко применять многослойные конструкции, представляющие собой различные комбинации неразъемно-соединенных между собой слоев из металлов (алюминиевых и титановых сплавов, сталей и др.) и неметаллических материалов. Среди последних большую и все возрастающую роль играют полимерные материалы. Полимерные материалы весьма разнообразны. Их можно разделить на неармированные и армированные.

Неармированные полимеры имеют сплошную или пористую структуру, не содержащую армирующих волокон. К ним относятся резины, полиуретаны, пенопласты, полиэтилены и т. п.

Армированные полимеры (полимерные композиционные материалы) представляют собой полимерную матрицу, содержащую тонкие армирующие волокна из высокопрочных материалов — стекла, углерода, органических веществ и т. п. Волокна придают материалу прочность и жесткость, матрица соединяет материал в единую структуру. Варьируя направление армирования, можно придать материалу заданные свойства, увеличивая его прочность в нужном направлении. Армированные полимеры (стекло-, углеи органопластики) широко применяют в авиационной технике, судостроении и других отраслях машиностроения, в строительстве. Из них изготовляют силовые детали летательных аппаратов, корпуса судов, обтекатели антенн, сотовые панели и многие другие узлы и детали. В настоящее время при создании самолетов и вертолетов полимерные композиционные материалы вытесняют традиционные алюминиевые сплавы, позволяя создавать более легкие и прочные конструкции.

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

Несущий винт является одним из главных arpei атов вертолета, определяющим его основные летно-технические и эксплуатационные характеристики.

В мировой практике проектирования вертолетных конструкций к настоящему времени накоплен достаточно обширный опыт создания несущих винтов различных схем. Все многообразие этих схем может быть систематизировано с помощью диаграммы, представленной на рис. 1. Данная классификация предложена Михеевым С. В. и Далиным В. Н. в работе [17]. ВШ™ ОШ кМнэi—

I ВШГШ а) б) вшош™

KLheH ош

ОШ ВШ ГШ

Рис. 1. Типовые конструктивные схемы несущих винтов вертолетов, а) — классическая трехшарнирнаяб) — с совмещенными ГШ и ВШв) — с вынесенным ВШг) — с вынесенными ГШ и ВШд) — на карданее) — с эластомерным общим шарниромж) -полужесткие винтыз) — жесткие винты.

Классическая трехшарнирная схема втулки несущего винта характеризуется креплением лопастей с помощью горизонтального, вертикального и осевого шарниров. В этом случае существенную роль играет величина разноса (расстояния от оси вала несущего винта) горизонтальных и вертикальных шарниров, которая определяет конструкцию втулки. Чередование последовательности шарниров дает различные варианты втулок шарнирных схем, отличающихся различными характеристиками управляемости вертолета.

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 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.

Создание таких упругих элементов требует наличия у производителя высоких технологий для изготовления таких конструкций, совершенных методик их расчета и современных средств испытаний и контроля качества изготавливаемой продукции.

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.

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

Исследований, посвященных этой проблеме, сравнительно мало.

В работе [46] 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 бесшарнчрного упругого крепления лопастей. В работах [44, 45, 47, 48, 49, 50] в рамках балочной 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, неоправданны.

Численный анализ особенностей геометрически нелинейной модели деформирования упругой оси лопасти бесшарнирного винта проведен в ра-бэте С. А. Михайлова [31].

Комплексная математическая модель пространственной и аэроупругой балансировки одновинтового вертолета разработана A.M. Гирфановым [9]. 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 [40] рассмотрены вопросы прочности упругих элементов несущего винта вертолета (торсионов и эластомерных подшипников). При этом для торсиона используется стержневая модель Кирхгофа — Клебша в линейной постановке.

Работы [34, 35, 37, 38] посвящены расчету напряженно-деформированного состояния универсального торсиона несущего винта вертолета, представляющего собой многослойную стержневую 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 [25] уточнен подход, предложенный в работе [37] и разрабатывается теория и методика расчета торсиона балочного типа на изгиб в двух плоскостях и кручение. Показано, что растяжение торсиона существен ю 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.

В работе [12] исследуется напряженно-деформированное состояние торсиона рулевого винта легкого вертолета в трехмерной постановке на основе МКЭ. Приводится описание базового конечного элемента с биквадратной аппроксимацией по поверхностным координатам, линейной по толщине, в двух модификациях. Этими же авторами в работе [13] приведены экспериментальные исследования деформированного состояния торсиона рулевого винта легкого вертолета при базовых видах нагружения. Разработана методика оценки предельного состояния торсиона по феноменологическим критериям прочности и по максимальным напряжениям.

Расчетные методы позволяют получить удовлетворительные результаты на основе известных физико-математических моделей механики деформируемых тел. Поскольку модели строятся с использованием ряда предположений и при приближенных значениях входящих параметров, то численные р ешения 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 [33] применены современные компьютерные технологии для автол: атизации 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 [43] 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 вязко-упругих материалов. За счет соответствующей механической обработки обеспечивается многоканальная передача нагрузок на центральную часть втулкл. 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 напряженно-деформированное (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 эффективной расчетно-эхспериментальной методики оценки напряженно-деформированного и предельного состояния многослойных композиционных конструкций при сложном нагруженииприменение созданных методов и разработанного на их основе комплекса программ для ПЭВМ к расчету втулок бесшарнирных винтов.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика оценки напряженно-деформированного и предельного состояния многослойных композиционных конструкций при сложном нагружении.

2. На основе созданного программного обеспечения исследовано напряженно-деформированное и предельное состояние торсиона несущего винта вертолета «Ансат» при действии эксплуатационных нагрузок.

3. Проведено сравнение результатов расчета с результатами стендовых испытаний торсиона несущего винта, которое показывает, что предложенная методика с применением созданного программного обеспечения позволяет рассчитывать напряженно-деформированное и предельное состояние многослойных композитных деталей несущих систем вертолетов.

4. Проведена оценка прочности торсиона несущего винта на основе феноменологического критерия прочности, учитывающего различные механизмы разрушения и обнаружены зоны, где условия прочности не удовлетворительны и близки к критическим значениям.

5. Проведены исследования по оценке температуры разогрева поверхности торсиона НВ при циклических испытаниях при помощи тепловизора-радиометра. Обнаружены зоны концентрации напряжений, которые совпадают с расчетными.