УДК 629.735.45
Определение критериев выбора конструктивных параметров
системы «хвостовая балка - концевая балка - оперение»
вертолета одновинтовой схемы
, ,
(Казанский национальный исследовательский технический университет им. -КАИ, г. Казань)
Аннотация: Авторами представлены результаты исследования с целью определения основных критериев для выбора конструктивных параметров наиболее сложной части конструкции вертолета – системы «хвостовая балка – концевая балка – оперение». Определены условия, которым должна удовлетворять конструкция на этапе ее проектирования. Приведены результаты расчетов для реальной конструкции вертолета одновинтовой схемы.
Determination of selection criteria for structural variable of system «tail boom – tail pylon – fins» for single-rotor helicopter
Basinov M. E., Zagirov D. A., Nedelko D. V.
(Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev, Kazan)
Abstract: Authors present the results of research in order to identify the main criteria for the choice of structural variable of the most difficult parts of the helicopter design - «tail boom - tail pylon – fins» system. We have defined the conditions, which must be satisfied by the design in its inception. We also gave the results of calculations for the actual design of the single-rotor helicopter.
Исходя из опыта проектирования вертолётных конструкций при выборе силовой схемы и конструктивных элементов системы «хвостовая балка – концевая балка - оперение» наиболее важными с точки зрения прочностных и ресурсных показателей являются следующие критерии:
1. Соответствие статической прочности деталей и узлов хвостовой и концевой балок требованиям «Авиационных правил»;
2. Необходимость «отстройки» частот собственных колебаний хвостовой и килевой балок, оперения и других агрегатов от совпадения с частотами вращения несущего винта, рулевого винта и частотами, кратными им (гармониками).
Все три перечисленных прочностных критерия тесно связаны между собой, но при этом задача создания конструкций хвостовой и концевой (килевой) балок, а также оперения определяется, в первую очередь, конструктивными требованиями, в число которых входит минимизация массы и соответствие аэродинамической компоновки назначению этих агрегатов.
В данной работе рассматриваются только перечисленные прочностные критерии и способы оценки соответствия им на ранних этапах проектировании таких систем винтокрылых аппаратов. При этом имеется предложенная конструктивная схема реализации системы «хвостовая балка – концевая балка - оперение».
1. Анализ статической прочности
1.1 Анализ требований Авиационных правил
Для установления соответствия статической прочности требованиям норм АП-29 [1] проанализированы разделы, определяющие лётные и посадочные случаи нагружения конструкции хвостовой и концевой балок как составных элементов силовой схемы фюзеляжа вертолёта. Выделены следующие параграфы:
- 29.337 «Эксплуатационная перегрузка при маневре»;
- 29.341 «Нагрузки от воздушных порывов»;
- 29.351 «Условия скольжения»;
- 29.501 «Условия нагружения на земле: полозковое шасси».
Выполнено построение эпюр внутренних силовых факторов для выделения наиболее нагруженных расчётных случаев, соответствующих каждому параграфу. Для построения эпюр была разработана массовая модель хвостовой и концевой балок, включающая массы всех агрегатов, находящихся на них, а также проанализировано распределение масс силовых элементов. В результате расчёта получено распределение изгибающих моментов вдоль хвостовой и концевой балок, перерезывающих сил и нормальной силы для каждого расчётного случая. Эпюры изгибающего момента в горизонтальной плоскости приведены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Эпюра изгибающих моментов в горизонтальной плоскости
По представленным эпюрам видно, что наиболее тяжёлым с точки зрения возникающих усилий в элементах силовой схемы хвостовой и килевой балок является случай п. 29.351 «Условия скольжения».
1.2 Расчёт параметров статической прочности
Для оценки достаточности параметров напряжённо-деформированного состояния с точки зрения требований статической прочности используем программный комплекс NX Advanced Simulation, основанный на методе конечных элементов [2].
Конечно-элементная модель (КЭМ) системы «хвостовая балка – концевая балка - оперение» основана на принципе высокой дискретизации при воспроизведении основных силовых элементов, участвующих в восприятии расчётных нагрузок. Для достоверности полученных результатов в КЭМ включены элементы задней части фюзеляжа по шпангоутам 10-12. Всем деталям присваивался соответствующий материал со свойствами алюминиевого сплава с модулем упругости E = 72000 МПа и коэффициентом Пуассона ? = 0,33. Для моделирования применены пластинчатые и балочные конечные элементы второго порядка с соответствующими свойствами в виде толщин обшивки и геометрических характеристик поперечного сечения. Сосредоточенные массы агрегатов, установленные на хвостовой балке, имитируются массовыми элементами, крепление которых к силовой конструкции осуществлено через элементы связи типа RBE3. Общий вид конечно-элементной модели представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Общий вид КЭМ
В результате расчёта на статическую прочность получено распределение параметров напряжённо-деформированного состояния в силовых элементах конструкции. Изолинии напряжений по критерию Мизеса показаны на рисунке 3. Сделан вывод о соответствии статической прочности хвостовой и килевой балок требованиям п. 29.351 АП-29 .
Рисунок 3 – Напряжения по критерию Мизеса, кгс/мм2
2. Анализ собственных частот
В конструкции вертолёта важным критерием, определяющим динамическое (вибрационное) нагружение силовых элементов, является отсутствие резонансных явлений [3]. Резонанс возникает при совпадении собственных частот колебаний узлов и деталей с частотами вращения несущего (НВ) и рулевого (РВ) винтов, а также частотами, кратными им, и приводит к значительным динамическим нагрузкам на эти узлы.
На этапе проектирования оценка собственных частот колебаний может быть выполнена также с применением метода конечных элементов, т. к. рассматриваемая система «хвостовая балка – концевая балка - оперение» довольно сложна с точки зрения её аналитической оценки.
Был выполнен расчёт собственных частот колебаний предложенной конструкции в полосе частот 3…70 Гц исходя из следующих опасных, с точки зрения возможного резонанса, частот:
а) 6,1 Гц - частота вращения НВ;
б) 12,2 Гц, 18,3 Гц, 24,4 Гц – частоты, кратные частоте вращения НВ;
в) 33,35 Гц – частота вращения РВ;
г) 66,7 Гц – вторая гармоника частоты вращения РВ.
В результате расчёта получены следующие частоты колебаний рассматриваемой системы и соответствующие им формы, которые сведены в таблицу 1.
Таблица 1 – результаты оценки собственных частот
Частота, Гц | Форма колебаний |
6,63 | изгиб в плоскости XOZ с кручением |
7,20 | изгиб в плоскости XOY |
20,94 | изгиб с кручением |
23,68 | изгиб в плоскости XOY (2 тон) |
37,12 | антисимметричные колебания стабилизатора вокруг оси ОХ |
41,50 | антисимметричные колебания стабилизатора и киля вокруг оси OY |
42,82 | антисимметричные колебания стабилизатора вокруг оси ОХ |
49,09 | сложная форма (киль + консоль стабилизатора) |
51,70 | оболочечная форма (киль) |
54,07 | симметричные колебания стабилизатора вокруг оси ОХ |
67,44 | колебания средней части ХБ (оболочечная форма) |
68,19 | сложная форма (агрегаты, киль, стабилизатор) |
Собственная частота 23,68 Гц представляет интерес с точки зрения близости её к четвёртой гармонике частоты вращения несущего винта. Визуализация деформаций колебаний системы на этой частоте представлена на рисунке 4. При дальнейшем проектировании этот результат должен быть уточнён, либо должны быть разработаны мероприятия для недопущения резонансных явлений системы «хвостовая балка – концевая балка - оперение» с частотой 24,4 Гц путём изменения массово-инерционных и жесткостных параметров системы. Такими мероприятиями может являться изменение геометрических параметров хвостовой балки: подбор сечения силовых элементов и их взаимного расположения.
Рисунок 4 – Форма колебаний с частотой f=23,68 Гц
3. Выводы
В работе исследованы основные критерии выбора конструктивных параметров на этапе проектирования системы «хвостовая балка – концевая балка - оперение» и способы расчётного определения соответствия им.
На основании требований Авиационных правил [1] был выполнен анализ расчётных случаев, определяющих облик системы с точки зрения требований статической прочности, и дальнейший конечно-элементный анализ конструкции.
С помощью разработанной кончено-элементной модели был выполнен анализ собственных частот системы и выявлены опасные формы колебаний, являющиеся близкими по частоте к возбуждающей частоте вращения несущего винта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Международный авиационный комитет. Авиационные правила часть 29. Нормы летной годности винтокрылых аппаратов транспортной категории// 130 с. и др. «NX Advanced Simulation. Инженерный анализ». – М.: ДМК Пресс, 2012, 504 с. Вибрации в технике: справочник в 6-ти т./Под ред. – М.: Машиностроение,1981 – Т.6, 456 с.