ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНО-СИЛОВОЙ СХЕМЫ КРЫЛА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ОГРАНИЧЕНИЯМИ ПО АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ФОРМЕ (02.04.2015)

Автор: Нгуен Хонг Фонг

НГУЕН ХОНГ ФОНГ

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНО-СИЛОВОЙ СХЕМЫ КРЫЛА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ОГРАНИЧЕНИЯМИ ПО АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ФОРМЕ

Специальность 05.07.03 – Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт» (Государственный университет)

Научный руководитель:

Бирюк Виктор Илларионович

К. т. наук, доцент кафедры «Прочность ЛА», ФАЛТ, МФТИ. Главный научный сотрудник отделения №3, ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского.

Официальные оппоненты:

Неделько Дмитрий Валерьевич

доктор технических наук,

начальник бригады прочности ОАО «КВЗ», Казань.

Яремчук Юлиан Федотович

Кандидат технических наук,

Главный специалист ОАО «Туполев»

Ведущая организация:

Экспериментальный машиностроительный завод им. В.М. Мясищева (ЭМЗ)

Защита состоится « » 2015г. на заседании диссертационного совета Д 403.004.01, кафедра прочность летательных аппаратов, факультет аэромеханики и летательной техники, московский физико-технический институт по адресу: РФ, 140180, обл. Москва, г. Жуковской, ул. Гагарин, д. 18.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке МФТИ по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский переулок, д.9.

Автореферат разослан «___» __________ 2015г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДИССЕРТАЦИОННОГО

СОВЕТА Д 403.004.01

д.ф-м.н, доцент________________________ Брутян Мурад Абрамович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В нынешнее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) обретают широкое применение в разных областях, как в военных, так и в гражданских целях. Они могут быть предназначены для ведения наблюдения, патрулирования, разведки, корректировки огневой поддержки и т.д. Больше всего внимание уделяют авиационные конструкторы созданию беспилотных летательных аппаратов с большим временем барражирования. Это возможно реализовать, используя крыло большого удлинения. Для этих летательных аппаратов характерным является малая скорость и длительное время нахождения в воздухе, исчисляемое сутками. Это приводит к необходимости значительного уменьшения веса конструкции. Одним из простейших способов снижения веса является использование композиционных материалов. Композиционные материалы (КМ) обладают существенно меньшим удельным весом по сравнению с традиционными материалами, такими как алюминиевые сплавы, титановые сплавы, сталь и т.д. Однако в настоящее время композиционные материалы имеют ряд недостатков, снижающих эффект от их применения. К недостаткам относятся значительная хрупкость, слабая эксплуатационная живучесть (ударные воздействия) и влияние климатических факторов на снижение свойств композиционных материалов. Кроме того, для композиционного материала применяются совсем другие критерии прочности. При использовании композиционных материалов эффект от их применения снижается за счет уменьшения уровня допускаемых напряжений, что приводит к росту веса конструкции. В особенности, значительное снижение уровня допускаемых напряжений обусловлено возможностью ударных воздействий на конструкцию из композиционного материала. Ударные воздействия могут привести в процессе эксплуатации летательного аппарата к значительному снижению свойств. Это обусловлено расслоениями, утратой связи между слоями композиционной конструкции, разрушением волокон. Кроме того, проникновение влаги в конструкцию при одновременном действии температур вызывает деградацию свойств композиционного материала. Несмотря на недостатки, композиционные материалы уже используются в гражданской авиации. В летательных аппаратах типа беспилотников композиционные материалы являются подчас единственным средством снижения веса конструкции. Однако, это всего лишь удельная прочность материала, которая обеспечивает уменьшение веса конструкции летательного аппарата. Анизотропные свойства композиционного материала для таких конструкций не использовались ранее. Анизотропные свойства конструкции из композиционных материалов использовались только для стреловидных крыльев обратной стреловидности при создании военных самолетов с крылом обратной стреловидности. Эти свойства позволяют, связав изгиб крыла с кручением, минимизировать деформации, влияющие на нагрузки. Для крыла обратной стреловидности использование анизотропных свойств композиционного материала позволило избавиться от явления дивергенции, потому что при изгибе крыла обратной стреловидности происходит увеличение поточной крутки на кабрирование. За счет анизотропии при оптимальной связи изгиба и кручения крыло закручивалось на пикирование, уменьшая поточный угол сечений крыла. Беспилотные летательные аппараты, используемые для барражирования большой продолжительности, обычно имеют прямое крыло большого удлинения, которое при упругой деформации, обусловленной изгибом, не перераспределяет аэродинамические нагрузки, поскольку изгиб крыла не изменяет угол атаки поперечных сечений, как это происходит в стреловидных крыльях. Эффект от кручения крыла, как для стреловидного, так и для прямого крыла очень мал из-за малой величины плеча между условной осью жесткости крыла и точкой приложения аэродинамических нагрузок. Тем не менее, этот эффект приводит к некоторому увеличению нагрузок и, следовательно, веса конструкции. За счет изгиба в прямом крыле не происходит перераспределения аэродинамических нагрузок, как в стреловидном крыле, и не снижается изгибающий момент. Для снижения веса конструкции крыла существуют способы активного воздействия на распределенную нагрузку за счет отклонения органов управления на самолете. Это происходит с использованием автоматических систем снижения нагрузок. На ряде пассажирских самолетов, как правило, с большим взлетным весом, например, Ил-96, такие системы позволяют снизить расчетные маневренные нагрузки и уменьшить вес конструкции крыла. Использование автоматических систем снижения нагрузок в беспилотных летательных аппаратах с прямым крылом большого удлинения затруднено из-за недостаточности необходимых для действия автоматических системы органов управления. Нами предложена методика использования анизотропии КМ в обшивках прямого крыла БПЛА, которая позволяет выбрать оптимальные ориентации волокон монослоев в пакете КМ, чтобы уменьшить углы атаки сечений крыла за счет оптимальной связи деформаций изгиба с деформациями кручения. Эта возможность может быть использована в качестве пассивной и практически бесплатной системы снижения расчетных нагрузок. Актуальность проблемы несомненна, поскольку дает конструкторам дополнительный путь для снижения веса через уменьшение нагрузок.

Объект исследования

Объектом исследований является кессон крыла типового БПЛА типа “Predator”, который имеет прямое крыло большого удлинения и нуждается в обеспечении лимитных весов конструкции, включая крыло, для обеспечения требуемых летно-технических характеристик. Размах крыла составляет 16м, взлетный вес порядка одной тонны, площадь крыла равна примерно 12м2.

Цель диссертационной работы

Формирование идеологии исследования по оптимизации веса конструкции крыла беспилотного летательного аппарата с прямым крылом большого удлинения при использовании композиционного материала в конструкции кессона крыла на основе выбора ориентации анизотропных свойств композиционного пакета в обшивке крыла, отличающейся от традиционной ориентации, использующейся в композиционных стреловидных крыльях пассажирских самолетов.

Разработка методов моделирования кессона крыла для исследования возможности снижения нагрузок.

Разработка методики оптимизации ориентации волокон в композиционном крыле.

Исследование по оценке влияния упругих деформаций на аэродинамические характеристики с учетом выгорания топлива в горизонтальном полете.

Исследование механизма разрушения композиционного пакета.

Задачи исследования

Исследовать методы определения прочностных характеристик композиционного монослоя и композиционного пакета в целом. Изучать различные критерии разрушения композита: Хилл, Хофман, Цай-Ву, критерий максимального напряжения.

Разработать методику моделирования крыла с целью получения корректных эффектов от оптимизации ориентации композиционного материала в кессоне крыла.


загрузка...