Предисловие
Диссертация посвящена развитию и разработке методов, направленных на повышение точности весового проектирования авиационных конструкций. В работе речь идет о расчетах массы конструкций, но по сложившейся в авиастроении традиции в целесообразных случаях используются как синонимы термины "весовые расчеты", "весовые формулы" и т.п..
Работа базируется на использовании метода конечных элементов на ранних стадиях проектирования и построении весовых соотношений с использованием интегральных характеристик: "силового фактора", который выражает одновременно величину и протяженность действия внутренних усилий в конструкции, "коэффициента полной массы", который выражает отношение реальной и теоретически необходимой по условию прочности массы конструкции, и нового безразмерного критерия - "коэффициент силового фактора".
Первая глава посвящена обзору методов весового проектирования в авиастроении и обсуждению необходимости и путей повышения их точности.
Во второй главе проводятся подробные численные исследования нового безразмерного критерия, предложенного В.А. Комаровым в обобщающей работе "Весовой анализ авиационных конструкций: теоретические основы" [41]. Рассмотрены разнообразные конструкции, выявлен физический смысл нового критерия и показана эффективность его использования в весовых расчетах авиационных конструкций.
В третьей главе рассматриваются два альтернативных подхода к расчету силового фактора одного из основных элементов авиационных конструкций — подкрепленной панели обшивки. Решена задача теории упругости о подкрепленной панели в одноосном потоке усилий, не совпадающем по ориентации с подкрепляющими ребрами. Предложены две методики расчета
Гумснюк А.В. 11рогночироиание и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой фактор" Предисловие
6
силового фактора подкрепленных панелей и определены области их целесообразного использования.
В четвертой главе рассмотрены прикладные задачи. На примере крыльев малого удлинения показана эффективность нового безразмерного критерия в сравнительном анализе особенностей силовых схем. На примере конструкции фюзеляжа показана возможность использования силового фактора для оптимизации геометрических параметров самолета. Практическое применение результатов работы показано на примере оценки совершенства силовой схемы и конструкции крыла самолета Як-130 и на примере прогнозирования массы крыла большого гибридного транспортного летательного аппарата с объемом газонаполненной оболочки 60000 м3.
В Приложении приводятся исходные тексты разработанных программных модулей, реализующих алгоритмы расчета силового фактора авиационных конструкций, представленных в виде набора стержневых, мембранных и сдвиговых конечных элементов. Разработанные модули автоматизируют процесс моделирования подкрепленных панелей.
Работа выполнена с поддержкой по программе 2002 года "На соискание грантов по фундаментальным исследованиям в области технических наук", проект "Разработка прикладной теории весового проектирования аэрокосмических конструкций на основе высокоточного математического моделирования", шифр гранта Т02-06.8-3018.
Основное содержание работы опубликовано в статьях [19, 20, 21, 22, 23, 36, 42] и доложено на II Всероссийской конференции "Самолетостроение России: проблемы и перспективы" [20], на XXVI Международной молодежной научной конференции "Гагаринские чтения" [22]. Раздел 1.3 выполнен совместно со инженером-стажером из Франции Ивом Ампре. Раздел 4.3 выполнен совместно с инженером Д.В. Шульгиным, раздел 4.4.2 выполнен совместно с инженером Т.А.Фониной.
Гуменюк А.В. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой фактор" Предисловие
Список условных обозначений и сокращений
Ъо - центральная хорда крыла, м;
Ск - коэффициент силового фактора;
d
G - силовой фактор, Нм;
g - ускорение свободного падения, м/с ;
/ - размах крыла, м;
1<р - длина фюзеляжа, м;
тк - масса конструкции ЛА, кг;
ткр - масса крыла, кг;
то - взлетная масса ЛА, кг;
тФ - масса фюзеляжа, кг;
тцн - масса целевой нагрузки, кг;
па - значение аэродинамической перегрузки;
пр - расчетное значение перегрузки;
р0 - удельная нагрузка на крыло, Н/м ;
ЯКр - удельный вес крыла, Н/м ;
S - площадь крыла, м2;
5ф - площадь миделевого сечения фюзеляжа, м2;
с - относительная толщина профиля крыла;
Гумешок А.В. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой фактор" Список условных обозначений и сокращений
8
тк - относительная масса конструкции ЛА;
тоб - относительная масса оборудования;
wiCy - относительная масса силовой установки;
тТ - относительная масса топлива;
X - угол стреловидности крыла, °;
S - относительная толщина оребренной панели;
Л - сужение крыла;
Я - удлинение крыла;
А>ф - удлинение фюзеляжа;
/л - коэффициент Пуассона;
(р - коэффициент полной массы;
ex - удельная прочность материала;
[а] - допускаемая прочность материала, МПа.
ГТЛА - Гибридный транспортный летательный аппарат;
КЭМ - Конечно-элементная модель;
ЛА - Летательный аппарат;
МКЭ - Метод конечных элементов;
НДС - Напряженно-деформированное состояние;
ОКБ - Опытное конструкторское бюро;
ПГУ - Потоки главных усилий;
САПР - Система автоматизированного проектирования;
САХ - Средняя аэродинамическая хорда.
Гумснюк А.В. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой фактор" Список условных обозначений и сокращений
9
1 Введение. Состояние проблемы, цели и задачи исследования
1.1 Роль и место весового проектирования в процессе разработки ЛА
Взлетная масса ЛА является едва ли не наиболее важным параметром, который определяется на ранних стадиях проектирования. Неточное определение этого параметра может привести либо к многим пересмотрам проекта и в итоге к затягиванию календарного времени разработки, либо вообще может свести на нет успех проекта в случае грубых ошибок, которые выяснятся на конечной стадии разработки. Причем, цена ошибок в проектировании и цена их исправления существенно зависят от стадии разработки, на которой они обнаружены и исправляются. На рисунке 1.1 показана оценка стоимости таких исправлений по мнению специалистов из промышленности.
Стоимость, $
180000
160000
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
1 000 000$
100 000$
10 000$
100$
1 000$
от
X
о
Hi
3 ° 9i
CD ro °
8.
¦S о
s m
а. п
О) S
I
Рисунок 1.1 Оценка стоимости исправления ошибки на различных стадиях подготовки производства
Гуменюк А.В. Прогнозирование и контроль массы шшационных конструкций с нспольктанием критерия "силовой фактор" Глава I Введение. Состояние проблемы, цели и задачи исследования
10
Одной из существенных компонент в определении взлетной массы в предварительном и эскизном проектировании является масса конструкции планера (корпуса) ЛА. Причем, для общего проектирования самолета в целом достаточно большое значение имеет точность определения относительной массы конструкции:
Шк=^-9 (1.1)
где т0 - взлетная масса самолета, кг; тк - масса конструкции самолета, кг; тк - относительная масса конструкции самолета.
Взлетную массу на ранних стадиях проектирования наиболее целесообразно определять из уравнения весового баланса [9, 49]:
т+т п Оч
(1.2)
\-тк-тТ-тсу-тоб где т - масса целевой нагрузки, кг; тэк— масса экипажа; тТ — относительная масса топлива; тсу — относительная масса силовой установки; тоб - относительная масса оборудования.
За сто лет существования авиации методы проектирования стремительно развивались и претерпели существенные изменения по самой своей сути. С известной долей условности, то есть без жестких границ, этапы развития методов проектирования можно представить следующим образом.
"Нулевой этап" (до 1903 г.) - этап зарождения авиации, который опирался в основном на интуицию и изобретательство, который можно назвать эвристическим. Начало можно отсчитывать от работ "титанов": идеи геликоптера Леонардо да Винчи, Михайло Васильевича Ломоносова, от практических полетов Отто Лилиенталя на аппарате типа дельтаплана (по-современному), от самолетов Александра Федоровича Можайского, Клемента Адера, Сэмьюэла Лэнгли и братьев Уилбера и Орвилла Райт (рисунок 1.2), которым выпала удача войти в историю в роли пионеров авиастроения [13, 17,
\_______________________________________________________________________
Гуменкж А.В. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой фактор" Глава 1 Введение. Состояние проблемы, цели и чалами исследования
i I
18, 24, 26, 53, 57, 63, 64]. Заметим, что французы отсчитывают историю авиации с полета самолета "Eole" Клемента Адера [Х7] (рисунок 1.3). Не вдаваясь в исторический спор о первенстве этих замечательных инженеров и считая создание летательных аппаратов общечеловеческим достижением, отметим разнообразие предложенных технических решений и отсутствие каких либо научно-обоснованных методов проектирования, которые использовались при их создании.
Рисунок 1.2 - Самолет братьев У. и О. Райт "Flyer" ("Флайер"). 1903 г.
Рисунок 1.3 - Самолет К. Адера "Eole" ("Ёоль" - птица). 1890 г.
На следующем этапе, с 1903 г. до начала 30-х годов XX века, было создано огромное количество самых разнообразных летательных аппаратов, в котором доминирующим методом проектирования был "метод проб и
Гуменкж A.IJ. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой фактор" I лава I Введение. Состояние проблемы, цели и задачи исследования
12
ошибок". Этот период чем-то напоминал естественный отбор в живой природе. Происходила эволюция летательных аппаратов, росли скорости, дальности, от полипланов переходили к моноплану, от ферменных конструкций и полотняной обшивки инженеры переходили к балочным конструкциям с жесткими листовыми обшивками и так далее. В итоге этого этапа авиастроение обогатилось рядом типовых весьма совершенных технических решений - лонжероны, близкие к идеальному двутавру, ферменные и тонкостенные нервюры, типовые стыки агрегатов и так далее, и был накоплен огромный статистический материал [72].
Научно-обоснованное проектирование начало зарождаться в середине 30-х годов XX века и сложилось в годы Второй Мировой войны, а также последующий за ней период гонки вооружений, в период становления авиации как одного из основных видов транспорта. Методы проектирования этого периода можно назвать методами статистического проектирования потому, что они, во-первых, существенно использовали статистические данные по самолетам предыдущего периода, и, во-вторых, в период с 1940 по 1980 гг. создавалось большое количество самолетов различных типов, которое дополняло статистические данные и позволяло вести проектирование по прототипам [1, 60, 66, 78, 80]. В этот период были написаны основательные учебники по проектированию самолетов, которые аккумулировали и обобщали накопленный опыт в СССР [5, 27, 71], в Европе - [67], в США - [83, 90, 94, 95, 96, 100, 101, 102, 103].
В числе первых фундаментальных работ по весовому проектированию можно назвать работу В.Ф. Болховитинова [9], где было предложено уравнение весового баланса и работу Ф.Р. Шэнли по весовому анализу авиационных конструкций [74, 97].
Накопленный огромный статистический материал нашел отражение в справочнике по весовому проектированию [73].
Гуменкж А.15. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с испольчованием критерия "силовой фактор" Глава 1 Введение. Состояние проблемы, цели и задачи исследования
13
Однако, с середины 80-х годов прошлого века положение дел в проектировании самолетов претерпело качественные изменения: с одной стороны, самолеты стали очень сложными и дорогими, процесс их создания от замысла до запуска в серию стал очень длинным (более 10 лет по многим проектам, например - Ту-144, Конкорд, Як-42), число проектов стало резко сокращаться, многие из них стали международными (например - самолеты консорциума Эрбас Индастри (Airbus Industry), фирмы Еврофайтер (Eurofighter) и так далее). С другой стороны, принципиально новые качества можно получить на уровне концептуальных решений, новых аэродинамических и компоновочных схем: возникла необходимость разработки самолета с существенно увеличенной пассажировместимостью и грузоподъемностью [10, 53, 76, 77, 91, 98, 105, 112]. В России на протяжении длительного времени развивается идея самолета с несущим фюзеляжем с большим аэродинамическим качеством (порядка 25 единиц) [4]. В ряде стран рассматриваются проекты самолетов схемы летающее крыло [50, 65, 88, 106, 107, 108, 109, ПО, 111]. Для определенных целей и выполнения широкого круга задач могут оказаться эффективными экранопланы и экранолеты. Довольно полный обзор такого рода необычных проектов представлен в [7, 25, 79]. В работах группы ученых МАИ исследуются возможности полипланных систем для создания грузовых самолетов большого тоннажа [85]. Ряд принципиально новых несущих систем "крыло - фюзеляж" рассматриваются в статье [61]. Подборка наиболее интересных проектов в контексте данной диссертационной работы представлена на рисунках 1.4 - 1.9.
Особенностью проекта ЭМЗ им. В.М. Мясищева М-60 (рисунок 1.4) является применение схемы с несущим фюзеляжем с большим аэродинамическим качеством (порядка 25 единиц). Особенностью проекта АЗХХ (рисунок 1.5) является большая взлетная масса (около 600 тонн). Основные особенности проекта C-Wing (рисунок 1.6) - схема "летающее крыло", большая взлетная масса, оригинальные расположение двигателей и
Гумсиюк Л.В. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой фактор" Глава 1 Введение. Состояние проблемы, цели и задачи исследования
14
компоновка оперения. Оригинальная конструкция в виде пространственной фермы, состоящей из двух фюзеляжей и балок, образующих каркас для размещения грузовых модулей различных типов, представлена на рисунке 1.7. Другой проект, выполненный по классической схеме, но с возможностью подвески различных грузовых модулей под фюзеляжем, представлен на рисунке 1.8. Проект с большой взлетной массой и негерметичной грузовой кабиной с в возможностью загрузки большого числа универсальных контейнеров представлен на рисунке 1.9.
Рисунок 1.4 - Проект ЭМЗ им. В.М. Мясищева М-60 (СССР - Россия),
гао~ 190 000 кг [4]
Гуменюк А.В. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой фаь"гор" Глава I Введение. Состояние проблемы, цели и задачи исследования
15
Рисунок 1.5 - Проект Эрбас АЗХХ (сегодня - A3 80) (Европа),
т0 ~ 560 000 кг [76, 77, 105, 1 12]
Рисунок 1.6- Проект Boeing С-Wing (США), то ~ 550 000 кг [88, 91, 106, 107, 108, 109, 110, 11 1]
I умсмюк А.В. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой фактор" Глава I Введение. Состояние проблемы, цели и задачи исследования
Рисунок 1.7 - Проект ЭМЗ им. В.М. Мясищева М-90. Многоцелевой грузовой самолет (МГС). Варианты (СССР - Россия), т0 ~ 850 000 кг [10]
Рисунок 1.8 - Проект ЭМЗ им. В.М. Мясищева М-52А (-Б). Многоцелевой
транспортный самолет. Варианты (СССР - Россия),
т0 ~ 650 000 кг - 800 000 кг [ 10]
Гумснюк А.В. Прогнозирование и контроль массы авиационных конструкций с использованием критерия "силовой (|шк'тоР" Глава I Введение. Состояние проблемы, цели и задачи исследования
/
~o
Рисунок 1.9 - Проект ECOLIFTER (Aerospatiale, Франция). Грузовой самолет - контейнеровоз (вариант), m0 ~ 685 000 кг [98]
К сожалению, методы статистического проектирования не могут ответить на ряд вопросов, возникающих при разработке таких аппаратов с необходимой точностью. Необходим надежный и универсальный, не зависящий жестко от выбора прототипов, инструмент для обеспечения выполнения весовых расчетов с достаточно высоким уровнем точности, который можно использовать для весовой оценки как ЛА классических схем, так и самолетов необычных схем и размеров.
1.2 Новая проектная парадигма
Вообще, нужно заметить, что проблема повышения точности проектировочных расчетов стоит одинаково актуально как для аппаратов традиционных схем, так и нетрадиционных схем, так как от точности проектирования в большой мере зависит и время всей разработки и ее стоимость. Эти обстоятельства, с одной стороны, и огромные достижения в математическом моделировании всех процессов функционирования ЛА, с другой стороны, позволяют выдвинуть требование "точного проектирования" [14], которое бы
Гумснюк А.В. 11рогнозироваиис и контроль массы авиационных конструкции с использованием критерия "силовой фактор" Глава 1 Введение. Состояние проблемы, цели и задачи исследования
