Конструирование агрегатов вертолетов

Размещено на http://www.allbest.ru/

35

1. Исходные данные

Спроектировать лопасть НВ из полимерных композиционных материалов прямоугольной формы в плане для среднего многоцелевого вертолета взлетной массой 2,5т, таблица 1.

Таблица 1.

Взлетнаямасса вертолета	mвзл	2500 кг
Окружнаяскорость НВ	wr	200 м/с
Радиус НВ	rНВ	5,1 м
Максимальнаяскоростьполета	Vmax	270 км/ч
Хордалопасти	b	0,318 м
Удлинение лопасти		16
Xцт сечения	0,24b	0,0765 м
Ширина лонжерона		0,143438м
Толщина профиля
Толщина c, м (12%) при r=0,5 - 1	NACA 230-12	0,03825 м
Толщина c, м (15%) при r=0,4	NACA 230-15	0,0478 м
Толщина c, м (17%) при r=0,3	NACA 230-17	0,0542 м
Толщина c, м (19%) при r=0,2	NACA 230-19	0,0606 м

Расчет лонжерона и комлевого стыка лопасти проводится для действияцентробежной силы создаваемой при вращении винта на значениях щr . Лопасть с целью выравнивания поля индуктивных скоростей по диску несущего винта и соответственно уменьшения индуктивных потерь НВ выполняют с круткой в пределах 7…10°. Аэродинамический профиль лопасти NACA 230. Расчет хвостового отсека с сотовым заполнителем проводится для значения распределенной аэродинамической нагрузки на характерном сечении лопасти r =0,7 при нормальном обтекании лопасти и максимальной скорости полета вертолета. Расчет клеевого соединения хвостового отсека с лонжероном лопасти проводится для значения аэродинамической нагрузки, действующей на месте соединения отсека с лонжероном и действующей на хвостовой отсек Кориолисовой силы для сечения лопасти r =0,7.

Принимаемые при проектировании лопасти НВ коэффициенты безопасности согласно НЛГВ-2:

Основной: f_осн = 2,0 ;

Дополнительный для соединений: f _{доп.соед.} = 1,15 ;

Дополнительный для ПКМ: f _{доп..ПКМ} = 1,25 .

2. Техническое описание конструкции

Конструктивно лопасть включает в себя большое число элементов, к которым предъявляются различные требования по прочности, плотности, жесткости. К таким элементам можно отнести лонжерон, хвостовую часть лопасти (хвостовой отсек), противоабразивную защиту, противообледенительную систему, стыковочный узел с втулкой винта.

Лонжерон лопасти - это основной силовой элемент лопасти, воспринимающий значительную часть всех массовых и инерционных нагрузок, действующих на лопасть. Лонжерон является связующим звеном для всех элементов лопасти. Он подвержен воздействию разнообразных статических и переменных (циклических) силовых факторов: растягивающих и сжимающих усилий, изгибающего и крутящего моментов. Эти нагрузки действуют в различных плоскостях и с различными частотами и амплитудами. Лонжерон выполнен из стеклопластика СК-2561 на связующем 5-211Б. С целью обеспечение заданной центровки в передней части лонжерона установлен металлокомпозитный противовес.

Хвостовой отсек лопасти образует заднюю часть аэродинамической поверхности профиля. Выполнен в виде профилированной сотовой трехслойной панели и воспринимает часть силовой нагрузки (частично М_изг и перерезывающую силу от аэродинамической нагрузки), передавая их на лонжерон.Наружные слои выполнены из стеклоткани Т-10 на связующем 5-211Б и служат для предохранения от смятия сот при изгибе хвостовой панели стабилизатора.В качестве сотового заполнителя применена полимерная каландрированная бумага ПСП-1 (3-ОСТ1 00851-77) с шестигранной формой ячейки (размер ячейки 2,5 мм).

Противоабразивная защита (ПАЗ) лопасти включает противоабразивные оковки из нержавеющей стали и абразивостойкое резиновое покрытие. Резина обладает высокой стойкостью к воздействию песчаной эрозии, однако ее стойкость к воздействию водяной эрозии недостаточна. Металлы уступают резине в стойкости к песчаной эрозии, но зато превосходят ее в стойкости к водяной эрозии.

Противообледенительная система электротепловаядля защиты лопасти от обледенения на лопасти установлена. Основным элементом такой системыявляетсянагреватель, обеспечивающий необходимую температуру на поверхности лопасти. Подача электрического тока для работы нагревателя осуществляется по проводам, расположенным в носке лопасти. С наружной и внутренней стороны нагреватель закрыт электроизоляционными слоями.

Стыковочный узел предназначен для крепления лопасти и передачи нагрузок с лопасти на втулку. Этот стык является разборным, т.е. эксплуатационным. На лопасти применен двухболтовой стыковочный узел свертикальным расположением болтов. Онобразован непосредственно из материала лонжерона с дополнительным усилением слоями кордонной ткани и титановой фольги. В комлевой части установлены стыковочные шайбы и втулки.

Вся поверхность лопасти, кроме деталей из нержавеющей стали и резины, покрыта лакокрасочным покрытием.

Противофлаттерный груз служит для отстройки от изгибно-крутильного флаттера лопасти в диапазоне эксплуатационных скоростей вертолета.



3. Требования к агрегату

Лопасть должна обеспечивать:

- высокое аэродинамическое совершенство,

- высокую статическую и усталостную прочность во всем диапазоне срока службы,

- высокий ресурс,

- высокую надежность.

Её конструкция должна обеспечивать отсутствие концентраторов напряжений, резких перепадов жесткости. Лопасти должны обладать стабильностью свойств во времени, защищены от повреждений в процессе эксплуатации, но в случае, если они всё же появились, позволять проводить их ремонт, т.е. быть ремонтопригодной. Они должны обладать "мягким" характером развития появившегося дефекта, исключающим лавинообразное развитие дефекта. Внешние атмосферные воздействия (дождь, град, солнечная радиация, морской воздух и т.д.) не должны влиять на работоспособность лопасти. Она должна обеспечивать удобство в проведении эксплуатационных мероприятий.

Агрегат должен быть спроектирован так, чтобы на всех разрешенных режимах полета имелся определенный запас до начала любого вида неустойчивой работы (флаттер, увеличенные колебания и вибрации из-за срыва потока с лопасти и т.д.). Деформации лопасти не должны увеличиваться настолько, чтобы приводить к ухудшению аэродинамики винта, балансировки и управляемости.

4. Определение внешних нагрузок на агрегат

1) Схема нагружения лонжерона лопасти НВ

В полете лонжерон лопасти испытывает растяжение, изгиб в 2-х плоскостях и кручение. Самой большой по величине нагрузкой на лопасть является центробежная сила ДR_цб (рис.6.3). Центробежная сила вызывает деформации растяжения в лонжероне и как следствие этого в сечении действуют нормальные напряжения вдоль продольной оси лопасти. Поскольку скорость вращения несущего винта мало меняется во времени, центробежную силу считают величиной постоянной во времени и относят к виду статической нагрузки. Помимо центробежной силы на лонжерон НВ действуют переменные во времени циклические нагрузки с периодом колебаний кратным одному обороту НВ. В плоскости тяги действует аэродинамическая сила тяги ДT и вследствие угловых колебаний лопасти инерционная сила ДJ_B. В плоскости вращения действуют сила сопротивления лопасти ДQ и инерционная кориолисовая сила ДJ_k . Все эти силы переменные по длине лопасти и по времени.

Помимо сил на лонжерон относительно ее продольной оси действуют переменные моменты (рис.2). Один из этих моментов - шарнирный М_ш. Второй - момент инерции Мин является следствием угловых колебаний лопасти относительно осевого шарнира втулки несущего винта. Действие этих моментов вызывает кручение лопасти НВ вертолета.



Рис.2 Возникновение шарнирного момента на лопасти.

лонжерон вертолет лопасть

2) Схема нагружения хвостового отсека лопасти.

Обшивка хвостового отсека лопасти воспринимает аэродинамическую нагрузку, действующую на профиль. Эта нагрузка вызывает появление в обшивке нормальных напряжений. Кроме того, в зависимости от конструкции крепления обшивки к лонжерону, в ней могут возникнуть дополнительные нормальные и касательные напряжения, которые также необходимо учесть при выборе толщины обшивки. Так как аэродинамическая нагрузка переменная по длине лопасти и по времени, то создаваемые ею перерезывающая сила Q и момент M стремятся изогнуть хвостовой отсек, вверх или вниз (рис.6.5).

При этом от момента в обшивке возникают нормальные напряжения, а от перерезывающей силы в обшивке и нервюре -касательные напряжения. Лонжерон лопасти, изгибаясь в плоскости вращения, стремится увести за собой отсек.

При этом в обшивке возникают дополнительные напряжения. При изгибе лонжерона внешним по радиусу концом вперед (по вращению) в средней по радиусу части отсека в площадках, перпендикулярных к хорде, и параллельных ей, возникают сжимающие нормальные напряжения, а по концам отсека - растягивающие. При изгибе лопасти в плоскости взмаха в обшивке также возникают напряжения.

5. Выбор конструктивно-силовой схемы лопасти НВ

Лонжерон и хвостовой отсек крепятся друг к другу при помощи клеевого соединения. Сосредоточенные силы воспринимают: узел крепления лопасти (реакции от центробежной и аэродинамических сил). Они затем передаются на рукав втулки НВ вертолета.

Лонжерон лопасти изготавливается в виде профилированной слоистой оболочки вращения с переменным по размаху сечением. При изгибе лонжерона слои испытывают попеременное растяжение-сжатие , поэтому возможна местная потеря устойчивости тонкой стенки лонжерона в опасном сечении, и за разрушающие принимаются критические напряжения потери устойчивости.

Хвостовой отсек лопасти проектируется в виде профилированной трехслойной панели с сотовым заполнителем. При изгибе отсека верхние и нижние слои испытывают растяжение-сжатие , поэтому возможна местная потеря устойчивости тонкой обшивки отсека в опасном сечении, и за разрушающие принимаются критические напряжения потери устойчивости.

Сечения элементов узла крепления лопасти подбирают по разрушающим напряжениям, причем запас прочности должен быть не менее единицы.

6. Выбор проектируемых параметров

В качестве проектируемых параметров следует принять:

а) Геометрические параметры сечения лопасти (Рис.3),(Таблица 2)

Рис.3.

Таблица 2.

б) Массовые параметры элементов композитной лопасти (Таблица 3)

Таблица 3.

7. Случаи нагружения

1. Режим висения.

щR=200 м/с

v=0

В этом случае производим статический расчёт лопасти и определяем напряжения,

действующие от центробежной силы.

Рассчитываем комлевую часть со стыковочными узлами на прочность.

2. Стоянка.

В этом случае определяем напряжения, действующие в лопасти на стоянке от сил собственного веса.

3. Режим горизонтального полёта с максимальной скоростью.

В этом случае рассчитываем на прочность клеевые стыки : лонжерон -сотовыйзаполнитель, лонжерон-обшивкахвостовойпанели.

v=270 км/ч

Выбор параметров и расчет на прочность лопасти НВ.

Процесс проектирования лопастей НВ из ПКМ включает:

- выбор конструктивной схемы и материала лопасти;

-определение потребных сечений элементов лопасти по требованиям статической и усталостной прочности;

- корректировка массовых характеристик лопасти;

- отстройка лопасти от резонанса на рабочих частотах вращения;

- обеспечение запасов аэроупругой устойчивости лопасти;

- конструирование комлевых стыковочных узлов лопасти и расчет клеевых соединений лопасти.

Спроектированная лопасть должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Статический свес лопасти [у] на стоянке (конец лопасти не должен задевать за хвостовую балку) должен быть: [у]< 0,1 r, r -радиуслопастиНВ;

2. Обеспечение требований статической прочности:

а) напряжения, действующие в лонжероне от центробежных сил, не должны превышать допустимые напряжения:

у_R< [у_R]= 60 МПа;

б) напряжения, действующие в лонжероне на стоянке от сил собственной массы лопасти, не должны превышать доп. напряжения:

уу< [уу]= 70 МПа;

3. Необходимый запас по потере устойчивости типа флаттер: Хэф=0,24b;

4. Обеспечение ограничения по собственным частотам колебаний.

Для лопасти вертолета такое ограничение достаточно сложное из-за того, что скорость набегающего потока по длине лопасти переменна и таких резонансных частот будет довольно много в диапазоне эксплуатации вертолета.

Выбор материала

Исходя из условий работы несущего винта, в качестве главных при выборе

материала частей лопасти из ПКМ выдвигаются следующие требования:

- усталостная прочность, которая проявляется в трещиностойкости и слабой чувствительности к концентраторам напряжений;

- неизменность механических свойств материала деталей и их соединений от

времени и внешних условий эксплуатации;

- технологические и экономические требования.

Для лонжеронавыбираемвысокопрочныйстеклопластикСК-2561 на основе кордной стеклоткани Т25-(ВМ) на связующем 5-211Бс

Прочностью при растяжении[s--+--]=--1500МПа,

Предельными напряжениями среза:[фср]=48МПаи

смятия:[sсм]=100МПа,

модуль упругости материала E=55ГПа,

коэффициент Пуассонаm12=--0,26,

плотностьr--=--2500кг/м3,

может эксплуатироваться при температурах до1000С.

ДляобшивкихвостовогоотсекавыбираемстеклотканьТ-10на связующем 5-211Бс

Прочностью при сжатии [s-----]=--230МПа

Имеет модуль упругости E=27ГПа,

коэффициент Пуассонаm12=--0,11.

Для сотового заполнителя применена полимерная каландрированная бумага ПСП-1(3-ОСТ1 00851-77) с шестигранной формой ячейки размером 2,5 мм.

Модуль упругости E= 170МПа,

Плотностьr--=--42,1кг/м3.

Для клеевого стыка сотового заполнителя хвостового отсека с лонжероном выбираем клей холодного отверждения ПУ-2, клей обладает способностью вспениваться, увеличиваясь в объеме, при этом заполняет зазоры в пределах 0,1 - 3 мм.

При толщине клеевого шваdк=--0,35мм

Имеет прочность насдвиг[t--]сдвига=--18МПа,

Модуль сдвига G=--42МПа.

Для приклейки обшивки хвостового отсека к лонжерону возьмём клей горячего отверждения ВК-9. Используется для склеивания сталей, алюминиевых и титановых сплавов между собой и с неметаллическими материалами. Для радиотехнических изделий, клеерезьбовых соединений. Представляет собой вязко-текучую серую массу. Интервал рабочих температур от минус 196° до 125°С.

Прочность на сдвиг

Модуль сдвига

Толщина

Дляболтоввыбираемсталь45Г.Основнымпреимуществомданнойсталиявляетсяпрокаливаемостьнабольшиетолщины.

Прочность на срез составляет[фср]=370МПа.

8. Статический расчет лопасти

Спроектированная лопасть должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Обеспечение статического свеса на стоянке (конец ло-пасти не должен задевать за хвостовую балку): .

2. Обеспечение требований статической прочности:

а) напряжения, действующие в лонжероне от центробежных сил, не должны превышать допустимые напряжения: .

б) напряжения, действующие в лонжероне на стоянке от сил собственной массы лопасти, не должны превышать допусти-мые напряжения: .

3. Необходимый запас по потере устойчивости типа флаттер: .

Режим висения.

Определение напряжений, действующих в сечении лопасти от центробежной силы

Для расчета лопасти используем модель, предложенную А.В. Некрасовым - метод конечных элементов. Недеформированная лопасть разби-вается на 9 равных участков сечениями, перпендикулярными к ее оси. Радиус каждого сечения , длинна всех участков одинаковая и равна .Масса лопасти сосредоточивается в 8- ми точках, которые связаны между собой упругими элементами, имеющими постоян-ную жесткость в пределах каждого участка разбиения.

В каждом сечении лопасти действуют внутренние силовые факторы: изгибающий момент М_i, нормальная N_iи перерезывающая Q_i силы.

Для заданного типа лонжерона по координатам профиля лопасти в программе строятся характерные теоретические сечения, которые упрощенно представляют состоящими из следующих конструктивных элементов: лонжерона, сотового блока, обшивки ХО, противофлаттерного груза. Для каждого теоретического сечения по чертежу определяются следующие параметры:

P_лонж ,м -периметрлонжеронапосреднейлинии;

F_лонж, м² -площадь сечения лонжерона;

д_лонж.,м-толщиналонжерона;

X_{ц.т. лонж.}, Y_{ц.т. лонж.}, м -координатыцентратяжестилонжерона;

F_обш., м² - площадь обшивки ХО;

X_{ц.т. Обш.}, м -координатацентра тяжести обшивки;

F_сот, м² -площадьсотовогоблока;

X_{ц.т. сот}, м - координата центра тяжести сотового блока;

X_{ц.т. груз}, м - координата центра тяжести противофлаттерного груза.

Вычисляется масса каждого элемента для i-того теоретического сечения:

,

где с, кг/м³-плотностьматериаласоответствующегоэлемента, задаетсявсправочныхданных;

----------------DR=R_i+1-R_i, м-расстояниемеждуi-м и i+1-м сечениями.

Расчет напряжений, действующих в сечении лопасти от центробежной силы, сведем в таблицу №.4.

Вывод: Максимальное напряжение на лонжероне у_N=59,7МПа, следовательноу_N=59,7Мпа<[у_N]=60МПа. Требование по статической прочности выполняется.

9. Расчет на прочность узла стыковки лопасти и втулки

Узел стыковки лопасти и втулки представляет собой элемент соединения типа «ухо - вилка», а расчет узла на прочность сводится к расчету на прочность стыковочных отверстий в комлевой части лонжерона лопасти. Внешним силовым фактором при расчете считается центробежная сила лопасти.

Для данной разновидности соединения «ухо - вилка» лопасть представляется соединением «ухо» и характерным считаются виды разрушения, критическими параметрами в которых выступают:

диаметр стыковочных болтов;

площадь сечения лонжерона в плоскости осей стыковочных отверстий;

физико-механические характеристики материалов соединения.

Исходные данные для расчёта:

Nцб	86814,0	Н
[усм.]	440	Мпа
[уb]	280	МПа
[фb]	140	МПа
[фb]б	370	МПа
[усм]п	80	МПа
nотв	4
nср	4

bлонж.	250	мм
c лонж.	160	мм
bперем.	60	мм

f	2
дм фольги	0,1	мм
дм корда	0,23	мм
длонж.	3,5	мм
дм клея	0,025	мм

«коэффициент безопасности» для всех расчетных случаев f = 2;

предел прочности при растяжении: стеклопластик фольгированный: [_в] = 2,810⁸ Па;

предельные напряжения среза болта (сталь 45Г): [_в]_б = 3,7•10⁸ Па;

предельные напряжения среза стеклопластика (Т-25(ВМ)-78):

[_в]_{стеклопл.} = 1,4•10⁸ Па;

предельные напряжения смятия стеклопластика (Т-25(ВМ)-78):

[_см]_{стеклопл.} = 4,4•10⁸ Па;

внешний силовой фактор: центробежная сила лопасти N_цб 56806,31Н;

допустимое напряжение смятия пакета: _пак=0,8•10⁷ Па;

количество плоскостей среза болтов: n_ср=4

число отверстий в панели: n_отв=4

Параметры стыка комлевой части лопасти выбираем исходя из центробежной силы, действующей на лопасть.

Прочности стыковочных болтов на срез.

Определяем диаметр болта крепления лопасти ко втулке:

Условием прочности стыковочных болтов на срез (рис.4,а) определяется их достаточный диаметр и, следовательно, диаметр стыковочных отверстий. Это условие определяется как

_расчf [_в],

где _расч -расчетная величина напряжений «на срез»; f-«коэффициент безопасности»; [_в] -предельная величина напряжений «насрез» для материала болта.

Так как болт вставляется во втулку то прибавляем ещё размер втулки:

d=12,22+6=18,22 мм

Примем

d_болта=20 мм

запас прочности:

n=[_в]/_расчf1

[_расч]= МПа;

n=1,33

2. Определяем толщину пакета фольгированного стыка

первого приближения в панели лонжерона из условий на смятие

-толщина пакета панели.

мм;

3. Определяем толщину фольги.

=2,713мм;

Коэффициент 0,2 это 20% фольги в пакете, при таком проценте получаются оптимальные параметры стыка.

4. Определяем толщину корда.

, где - число слоёв фольги.

Индекс «м» указывает, что величина относится к монослою. Для фольги из титанового сплава ОТ-4 а - для ткани Т-25(ВМ)-78.

5. Определяем толщину лонжерона.

6. Определяем толщину клея.

7. Определяем толщину пакета фольгированного стыка

второго приближения в панели лонжерона.

= 13,809 мм

8. Определяем.Проводим анализ :

а) Если =0 - переходят к определению геометрии лопасти.

б) Если >0 - добавляют число слоёв кордной ткани.

в) Если <0 - переходят к определению геометрии лопасти, используя в качестве толщины пакета значение.

- 0,244;

<0 - переходим к определению геометрии лопасти, используя в качестве толщины пакета значение

Переходим к определению запасов прочности, используя в качестве толщины пакета значение .



Прочность комлевой части лопасти на отрыв (рис. 4, б):

Зависит, главным образом, от площади сечения лонжерона в плоскости осей стыковочных отверстий. Условие прочности в данном случае:_расчf [_в], где _расч-расчетная величина напряжений при эксплуатационном случае; f-коэффициент безопасности; [_в]_раст-предельная величина напряжений для материала. А величина действующих напряжений рассчитывается по формуле:

_расч = Nцб / F.

Площадь сечения лонжерона F_сеч, необходимая для использования этих формул определяется по формуле:

Fсеч = Fвн.кнт- ( Fпл.ст + Fотв),

где F_вн.кнт, F_плст, F_отв-соответственно площади внешнего контура лонжерона, полости и суммарная площадь сечений отверстий в лонжероне.

Представляя площади в виде функций геометрических параметров сечения лонжерона, получим формулу в развернутом виде:

Fсеч = bлcл- [(bл- 2c)(сл- 2п) + nотвdп)],

где b_л, c_л- соответственно ширина и высота лонжерона в рассматриваемом сечении; _c, _п-толщины «стенки» и «полки» лонжерона; n_отв, d-количество и диаметр отверстий под стыковочные элементы в лонжероне соответственно.

F_сеч = 0,02541 м²

_расч=34,165 МПа;

запас прочности

n=[_в]_раст/_расч=4,1

Прочности на вырыв перемычки

При определении прочности на вырыв перемычки (рис. 4, в) пользуются условием выраженным формулой

где f-«коэффициент безопасности»; n_пс-суммарное количество плоскостей среза; _п-толщина «стенки» лонжерона в сечении; b-ширина перемычки, [_в] -предельные напряжения среза для материала лонжерона.

= 49,608 МПа

запас прочности

n=[_в]/_расч•f=1,41

Прочность узла по условию смятия поверхностей контактирующих деталей

Прочность узла по условию смятия поверхностей контактирующих деталей (рис. 2, г) определяется условием:

см расч = f•Nцб/ nп см•п•d [см],

где f-«коэффициент безопасности»; n_{п см}-суммарное количество поверхностей смятия; _п-высота поверхности смятия; d-диаметр контактирующих поверхностей; [_см] -предельные напряжения смятия для материала контактирующих деталей.

_{см. расч.} = 155,025 МПа

запас прочности

n=[_см]/_расч=1,42

Вывод: условия прочности узла стыковки лопасти и втулки выполняется.

Стоянка

Определение напряжений, действующих в лопасти на стоянке от сил собственного веса

Напряжения, действующие в лопасти на стоянке от сил соб-ственного веса, вычисляются по формуле:

,

где M_i, Н^.м - изгибающий момент, действующий в i-м сечении ло-пасти от сил собственного веса. В принятой модели:

,

где - длина i -го участка,

W_x- момент сопротивления изгибу:

,



где I_x-моментинерцииi- го сечения относительно оси главной центральной оси х.

Прогиб лопасти от собственного веса на стоянке вычисляет-ся интегрированием дифференциального уравнения упругой линии балки:

,

где q - погонная нагрузка на лопасть,

EI-жесткость лопасти.

В принятой модели прогиб в i-м сечении вычисляется по формуле:

,

где ц_i, рад - углы поворота текущего сечения, определяются из выра-жения:

,

.

Расчет напряжений, действующих в лопасти на стоянке от сил собственного веса, сведем в таблицу№.5.

Вывод: Напряжения, действующие в лонжероне на стоянке от сил собственной массы лопасти, не превышают доп. напряжения:

уу = 39,9 МПа< [уу]= 70 МПа

Максимальный прогиб лопасти от собственного свеса составляет 0,292 м, что значительно меньше 0,1r = 0,51м. Условия статической прочности соблюдаются.

10. Режим горизонтального полёта с максимальной скоростью

Исходные данные для расчета
bхв. пан	175	мм	мобш	0,35
b	318	мм	мсот	0,1
Lотс.	3595	мм	ET-10	26480	МПа
дст.сот	0,05	мм	Eсот	9810	МПа
rяч.	4,5	мм	сm	1500	кг/м3

Определение расчетной распределенной нагрузки

Определение нагрузки ведется для характерного сечения лопасти (Рис.5).

Где f=2-коэффициент безопасности,

S_отс.=b•L_отс. - площадь отсека

S_отс.=b•L_отс = 1143210 мм²

с=1,226 кг/м³-плотность воздуха,

V-скорость обтекания на характерном сечении лопасти.

V_пол=70м/с - Скорость полета вертолёта,

R₀₇=0,7L-радиус характерного сечения лопасти

L = 5,1м -длиналопасти,

щ-скорость вращения винта.

Распределение нагрузки по хорде считается для нормального обтекания:

Из подобия треугольников находим:

Рис.5.

При таком распределении нагрузки получаем:

17134,169Н

Момент от аэродинамической нагрузки:

Максимальный момент от сил собственного веса лопасти по таблице:

M_вес = 347,852 H·м

M_вес

Расчетную распределенную нагрузку определяем по аэродинамической нагрузке и принимаем следующую:

Расчет хвостового отсека

Прочность по нормальным напряжениям в обшивках

1. В первом приближении выбирается толщина обшивки .

2. Определяются напряжения в обшивках, возникающие при действии расчетной нагрузки N:

3. Определяются критические напряжения общей потери устойчивости конструкции:

= 110,815 МПа

L-Длина хвостового отсека лопасти. D- Жесткость сотовой конструкции на изгиб. m_t-коэффициент опирания конструкции.

= 0,314Н·м

5589743,59 Н/м

h-Высота заполнителя. µ - коэффициент Пуассона материала обшивки.

h = 38 мм

= 1,023 1/м

k- Параметр сдвига.

= 0,1345·10^-9

G_xz-Модуль сдвига в направлении наибольшей жесткости.

МПа

r- Размер грани шестигранной ячейки, д_c-толщинагранизаполнителя, G_m-модульсдвигаматериалазаполнителя.

= 4459Мпа

µ - здеськоэффициентПуассонадляматериалазаполнителя.

4. Сравниваются значения нормальных напряжений в конструкции возникающих от расчетной нагрузки N, и критических напряжений общей потери устойчивости. Должно выполняться условие:



Если условие не выполняется -то обшивка теряет устойчивость. Необходимо увеличить толщину обшивки, уменьшить размер грани ячейки, увеличить толщину грани ячейки.

Прочность по напряжениям сдвига в заполнителе

5. Определяются усилия сдвига в заполнителе.

= 0,0151Н/м

6. Определяются напряжения сдвига в заполнителе.

Мпа

7. Определяются напряжения местной потери устойчивости заполнителя.

8. Сравниваются значения напряжений сдвига и критических напряжений сдвига в заполнителе. Должно выполняться условие:

Если условие не выполняется, то необходимо увеличить толщину грани ячейки и уменьшить размер грани ячейки.

По касательным напряжениям в обшивках

9. Определяются касательные напряжения в обшивках.

= 123,99МПа

= 123299Н/м

m_с - коэффициент зависящий от параметра сдвига k (Рис.6.)

m_с = 4

Рис.6.

10. Определяются критические напряжения местной потери устойчивости обшивки от касательной нагрузки.

= 871.82 Мпа

11. Проверяется выполнение условия:

Если условие не выполняется, то следует увеличить толщину обшивки.

Вывод: Прочность хвостового отсека соблюдается.



Расчёт клеевого соединения хвостового отсека с лонжероном

Исходныеданые для расчетов
bхв.пан.	175	мм
Pхв.пан.	17135,00	Н
h	38	мм
Lотс.	3595	мм
длонж.	2,5	мм
добш.	0,5	мм
ET-10	26	ГПа
EСК-2561	55	ГПа
ссот	45	кг/м3
собш.	1800	кг/м3
Fхв.пан.	0,000125	м2
Fсот	0,004720	м2
Eсотоблока	10	ГПа
дст.сот	0,05	мм

Расчет клеевого соединения обшивки хвостовой панели с лонжероном

По величинам напряжений от аэродинамических нагрузок и напряжений от деформаций лонжерона в плоскости вращения можно найти касательные напряжения, возникающие в клеевом слое, служащем для приклейки отсека к лонжерону. Расчет клеевого соединения начинается с расчета нагрузок, приходящих на хвостовой отсек в расчетном сечении 1-1,см. рис.7.

При соединении лонжерона с хвостовым отсеком имеем 2 вида клеевого соединения: 1) В нахлестку-при соединении обшивки хвостового отсека с лонжероном (зона А); 2) Встык-при соединении сотоблокас лонжероном (зона В).

Расчет клеевого соединения обшивки хвостового отсека с лонжероном

Расчет клеевого соединения обшивки хвостового отсека с лонжероном производится в следующей последовательности:

1. Определяем изгибающий момент в расчетном сечении 1-1:

Рис.7.

где:

Кориолиса сила:

Среднее усилие в клеевом стыке:

Выбор типа клея

Выбираем клей горячего отверждения ВК-9, используется для склеивания сталей, алюминиевых и титановых сплавов между собой и с неметаллическими материалами. Для радиотехнических изделий, клеерезьбовых соединений. Представляет собой вязко-текучую серую массу. Интервал рабочих температур от минус 196° до 125°С.

Определение площади клеевого соединения

Из условия сдвига:

где:

F-площадь склейки , м²

- допускаемые напряжения в клеевом шве, [Мпа]

- коэффициент концентрации напряжений в клеевом шве.

- средние напряжения в клеевом шве.

Расчетная схема нахлёсточного клеевого соединения (Рис.8.):

Рис.8.

Определение средних напряжений в клеевом шве:

где:

( лонжерон стеклопластикСК-2561);

( обшивка хвостовой панели Т-10);

(толщина стенки лонжерона в зоне А);

( толщина обшивки хвостовой панели);

(толщина клеевой прослойки ВК-9);

(модуль сдвига клеевой прослойки ВК-9)

Отсюда:

Потребная площадь склейки:

Потребная длина нахлеста:

Принимаем из технологических соображений с учетом запаса на усталостное разрушение

B= 14 мм

Проверка прочности клеевого соединения:

Расчет клеевого соединения сотоблока со стенкой лонжерона

Среднее усилие в клеевом стыке:

Выбор типа клея

Выбираем клей холодного отверждения ПУ-2. Клей обладает способностью вспениваться, увеличиваясь в объеме, при этом заполняет зазорыв пределах 0,1 - 3 мм. Выбираем клей холодного отверждения ПУ-2из за невозможности осуществления нагрева в зоне стыка, клей обладает способностью вспениваться увеличиваясь в объеме при этом заполняет зазоры в пределах 0,1 -3 мм.

[ф]_сдвига = 18 МПа

Определение площади клеевого соединения:

м²

Определение коэффициента концентрации напряжений в клеевом шве :

0,358 Мпа

где:

(лонжерон стеклопластик СК-2561);

(бумага БФСК);

(толщина стенки лонжерона в зоне А);

(толщина бумаги);

(толщина клеевой прослойки ПУ-2);

(модуль сдвига клеевой прослойки ПУ-2)

Отсюда:

Мпа

Проверка прочности клеевого соединения

Вывод: Условие прочности клеевых соединений выполняется.

Анализ расчетов. Общие выводы

Из расчетов были получены следующие запасы прочности ? для спроектированной лопасти, представленные в таблице 4.

Таблица 4

Запасы прочности для хвостового отсека
По нормальным напряжениям в обшивках	1,13
По напряжениям сдвига в заполнителе	24,1
По касательным напряжениям в обшивках	7,1
Запасы прочности для клеевого соединения
Для соединения обшивки с лонжероном	12,5
Для соединения лонжерона с заполнителем	53,7
Запас прочности для лонжерона лопасти
От действия центробежной силы	1,01
Запасы прочности для комлевого узла крепления лопасти
По срезу болта	1,33
По отрыву комлевой части лопасти	4,1
На вырыв перемычки	1,41
По условию смятия поверхностей контактирующих деталей	1,42

Общий вывод: прочность элементов лопасти из ПКМ, ее соединений и узла крепления соблюдается. Согласно таблице 4масса лопасти составляет 19,3 кг, что значительно ниже массы аналогичных металлических лопастей несущего винта.



Список использованной литературы

[1] Башаров Е.А., Дудченко А.А. -Расчет КонструкцийизПКМ. Учебное Пособие. М.МАИ - 2014

[2] Башаров Е.А. -Конструирование Агрегатов Вертолетов-Методическое Пособие-М.МАИ - 2016

Размещено на Allbest.ru

...