К ШПАНГОУТУ

 

Требования к шпангоуту вытекают из совокупности свойств, которыми должно обладать проектируемое изделие. При проектировании изделия они играют роль директивных установок, которые должны быть выполнены. В процессе разработки требований к шпангоуту необходимо помнить, что он является элементом более сложной упругой системы – фюзеляжа самолета.

 

Требования могут выражаться либо количественно (например, может быть задан ресурс агрегата в часах), либо качественно (например, требование обеспечить максимальную жесткость фюзеляжа в зоне установки шпангоута). В пояснительной записке должны быть приведены четко сформулированные требования (хотя бы качественные) с кратким обоснованием принятых значений.

В авиации исходными данными для разработки требований к агрегату в реальном проектировании являются Нормы летной годности, Нормы прочности, технические условия заказчика, материалы эскизного проектирования самолета. Все требования обычно делятся на функциональные, эксплуатационные, производственно-технологические и экономические требования.

Функциональные требования представляют собой перечень основных функций, выполняемых агрегатом на самолете, а также перечень свойств агрегата, без которых выполнение его функций невозможно. К функциональным требованиям относятся требования минимальной массы, необходимой прочности и жесткости агрегата, устойчивости и долговечности элементов конструкции, а также аэродинамические и компоновочные требования. Отметим, что компоновочные ограничения обязательно согласовываются с руководителем проекта.

Эксплуатационные требования регламентируют удобство, трудоемкость и периодичность обслуживания агрегата, определяют степень его ремонтопригодности.

Группа производственно-технологических требований включает в себя общие указания по материалам и технологии, определяет программу выпуска агрегата в зависимости от его расчетного ресурса, задает требования к взаимозаменяемости агрегата, количество и расположение эксплуатационных и технологических разъемов, определяет степень преемственности конструкции. Следует иметь в виду, что с точки зрения минимума массы конструкции число эксплуатационных, конструктивных и технологических разъемов должно быть минимальным.

Производственно-технологические требования должны ориентировать конструктора на самое широкое применение передовых технологических процессов, повышение уровня механизации и автоматизации производства, использование недорогих и недефицитных материалов, максимальную стандартизацию и унификацию элементов конструкции, материалов и полуфабрикатов с целью уменьшения трудоемкости изготовления агрегата, сокращения цикла сборки и сроков освоения производства. При этом следует учитывать влияние технологичности производства агрегата на его функциональные свойства, особенно на ресурс и надежность в эксплуатации.

 

Достаточно общим экономическим критерием объекта проектирования является относительный уровень эффективности самолета – отношение производительности самолета за все время его эксплуатации к суммарным затратам на всех этапах жизненного цикла продукта. Экономическая эффективность транспортных средств может также оцениваться себестоимостью перевозок, исчисляемой в рублях/тонно-километр, а военных – стоимостью выполнения боевой задачи. В курсовом проекте значение какого-либо из указанных экономических критериев определить затруднительно. Поэтому экономический критерий можно сформулировать как требование, обеспечивающее минимальную себестоимость изготовления шпангоута.

Отметим, что все требования взаимосвязаны, а многие требования противоречат друг другу. Например, если сравнивать два варианта конструкции, то более легкая конструкция, как правило, оказывается менее технологичной, более дорогой в изготовлении. Изменение степени выполнения каждого требования в отдельности может либо улучшить, либо ухудшить качество изделия в целом. Поэтому задача конструктора – найти наилучшее компромиссное решение, определить наиболее полную степень удовлетворения в проектируемом изделии каждого из требований с учетом предполагаемых конкретных условий производства. Идеальной можно считать ситуацию, когда конструктор знает оптимальное решение, каким бы сложным оно не было в технологическом отношении, а также знает и цену, то есть увеличение массы при использовании более простого решения.

Заметим также, что понятие «сложная конструкция» достаточно относительное. На 47-м аэрокосмическом салоне в 2007 году были продемонстрированы сложнейшие конструкции шпангоутов и окантовок вырезов, изготовленные литьем и с использованием станков с программным управлением. Причем фирмы-изготовители утверждают, что это экономически более выгодно: вместо десятков деталей – одна, крепеж – заклепки и болты – практически отсутствуют.

 

4.3. РАЗРАБОТКА “ТРАДИЦИОННОГО” ВАРИАНТА СИЛОВОЙ СХЕМЫ ШПАНГОУТА

 

Разработку рационального варианта шпангоута при заданных граничных условиях начнем с рассмотрения "традиционного" шпангоута с постоянной строительной высотой 0,1 R - вариант "Tr". Для анализа весовой эффективности этой силовой схемы необходимо создать конечно-элементную модель (КЭМ). Примерное рекомендуемое разбиение конструкции сетью конечных элементов представлено на рисунке 7.

 

Рисунок 7. Рекомендуемое разбиение конструкции сетью КЭМ

 

Следует учесть, что конструктивно "традиционный" шпангоут состоит из поясов, адекватно моделируемых стержневыми элементами Rod из библиотеки конечных элементов NASTRAN [4], и стенки, работающей в плоском (мембранном) напряженном состоянии. При моделировании цилиндрической оболочки предполагаем, что используется фюзеляж типа "монокок" и поэтому можно выбрать конечные элементы Membrane.

Для заданного случая нагружения выполняется статический расчет и производится анализ напряженно-деформированного состояния конструкции.

Таким образом, определение силового фактора G является ключевым моментом в весовом анализе проектируемой конструкций. Для определения силового фактора и объема материала совокупности элементов, моделирующих шпангоут при заданном случае нагружения, можно воспользоваться специально написанной программой G_factor (автор – Болдырев А.В.). Оценку реальной массы конструкции можно выполнить по соотношению (6). Здесь и далее коэффициент полной массы рекомендуется принять =2,0.

Для оценки влияния соотношения жесткостей оболочки и шпангоута на распределение внутренних усилий в зоне их контакта выполняются расчеты шпангоута с оболочкой, имеющей толщину 0,1 мм, 1 мм и 10 мм. Делается проверка равновесия, для чего строятся эпюры уравновешивающих потоков касательных сил в оболочке с использованием сдвиговых напряжений (номер 7023 вектора результатов) [4].

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОГО ВАРИАНТА