Проектирование и прочностной анализ конструкции крепления габаритно-массового груза в грузовой кабине самолета типа ИЛ-76МД

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ

Проектирование и прочностной анализ конструкции крепления габаритно-массового груза в грузовой кабине самолета типа ИЛ-76МД



АННОТАЦИЯ

При транспортировке тяжелых грузов воздушным транспортом особое внимание уделяется способу и надежности крепления габаритно массовых изделий в грузовой кабине самолёта.

Опыт эксплуатации десантируемых транспортных средств показал, что для обеспечения безопасности при аварийных случаях швартовочных связей (цепей) экстренной швартовки может оказаться недостаточно, поэтому появилась необходимость в дополнительных средствах удержания груза от перемещения по направлению полета. Поэтому основной целью работы является проектирование, моделирование, расчет и испытания модели упора, который ранее не использовался при десантировании такого габаритно-массового транспортного средства, как боевая машина десанта и бронетранспортер. Особенностью конструкции является её универсальная применяемость под разное расположение транспортного средства в грузовом отсеке самолета.

Объем магистерской диссертационной работы: 77 стр., ..рис., ..табл., приложения и ..листов графической части.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

1.1 Общие замечания

1.2 Обзор литературы

1.2.1 Источники по сопротивлению материалов

1.2.2 Справочные пособия

1.2.3 Отраслевые стандарты

1.2.4 Межгосударственные стандарты

1.2.5 Аналитический расчет

1.2.6 Компьютерное моделирование

1.2.7 Метод конечных элементов

1.2.8 Источники по компьютерным программным комплексам инженерного анализа конструкций

1.2.9 Зарубежные источники

1.3 Цель и задачи работы

2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Расчетная схема и расчетные случаи

2.2 Первоначальные варианты конструкции

2.3 Материал конструкции, его свойства и прочностные характеристики

3. СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ПЕРВОНАЧАЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКЦИИ

3.1 Статические испытания модели стойки в составе конструкции «Балка поперечная

3.2 Статические испытания модели стойки в составе конструкции «Тяга упорная

3.3 Выводы попроведенным статическим испытаниям

4. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦИИ

4.1Расчет болтового соединения вилки и кронштейна

4.1.1 Расчет болта на срез

4.1.2 Расчет болта на смятие

4.2 Проверка трапецеидальной резьбы на растяжение

4.3 Проверка прочности сварных швов

5. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

5.1 Компьютерное моделирование стойки в составе конструкции «Балка поперечная» в среде SolidWorks

5.2 Расчет модели стойки в составе конструкции «Балка поперечная» в среде ANSYS

5.3 Компьютерное моделирование стойки в составе конструкции «Тяга упорная» в среде SolidWorks

5.4 Расчет модели стойки в составе конструкции «Тяга упорная» в среде ANSYS

5.5 Устранение дефектов, выявленных на испытаниях элементов экстренной швартовки

6. ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ МОДЕЛИ СТОЙКИ С МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ ВЕРСИЕЙ ВИЛКИ В СОСТАВЕ КОНСТРУКЦИИ «ТЯГА УПОРНАЯ»

6.1 Компьютерное моделирование стойки с модернизированной версией вилки в составе конструкции «Тяга упорная

6.2Численный расчет стойки с модернизированной версией вилки в составе конструкции «Тяга упорная»

6.2.1 Расчет стойки в составе конструкции «Тяга упорная» на случай расположения груза в начале грузовой кабины

6.2.2 Расчет стойки в составе конструкции «Тяга упорная» на случай расположения груза в середине грузовой кабины

6.2.3 Расчет стойки в составе конструкции «Тяга упорная» на случай расположения груза в конце грузовой кабины

6.3Устранение дефектов, выявленных при расчете элементов экстренной швартовки

6.4Расчет стойки в составе конструкции «Тяга упорная» на случай расположения груза в начале грузовой кабины с усиленным кронштейном

6.5 Выводы по проведенному численному расчету

7. ИСПЫТАНИЯ МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ «ТЯГА УПОРНАЯ

7.1Статические испытания

7.1.1 Статические испытания на случай расположения боевой машины в середине и в конце грузового отсека

7.1.2 Статические испытания на случай расположения боевой машины в начале грузового отсека

7.1.3 Выводы по проведенным статическим испытаниям

7.2 Динамические испытания

7.2.2Динамические испытания на случай отрезания вытяжной парашютной системы

7.2.2 Выводы по проведенным динамическим испытаниям

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

Безопасность авиационного транспортного средства подразумевает такое качество конструкции, которое уменьшает вероятность аварий, а в случае их возникновения снижает риск отказа техники для дальнейшей работы.

Авиационное происшествие приводит к тому, что воздушное судно не может продолжить дальнейший полет и вынуждено приступить к аварийной посадке. В следствии чего возрастает заинтересованность в повышении безопасности авиатранспорта, его посадка на аэродроме или вне, по причинам, не позволяющим выполнить полёт согласно плану.

Боевая машина десантная -- советская боевая машина, предназначенная для использования в воздушно-десантных войсках и десантирования парашютным или посадочным способом с военно-транспортного самолёта типа Ан-12 и Ил-76. Боевая машина десанта надежно закрепила себя, как десантируемое транспортное средство благодаря своим множественным техническим характеристикам. Первая модель советской боевой машины БМД-1 была принята на вооружение 1969 году. Затем на базе БМД -1 была сконструирована модель десантного бронетранспортера БТР-Д. Появление БТР-Д было вызвано малой вместимостью БМД-1, затруднявшей полное перевооружение на него воздушно-десантных войск. Стоит отметить, что данная разработка была единственной серийной машиной на базе БМД-1 и была принята на вооружение в 1974 году.

В наше время на смену этим боевым машинам пришло новое поколение - БМД-4М и БТР-МДМ. При создании БМД-4М и БТР-МДМ для военно-воздушных сил параллельно была открыта опытно-конструкторская работа по разработке унифицированных средств десантирования парашютно-бесплатформенных систем, которые позволяют экипажу десантироваться внутри боевой машины с воздушного судна типа Ил-76МД, Ил-76МДМ, Ил-76-90А.

Первое десантирование техники с экипажем происходило 23 января 1976 года на первой модели боевой машины десанта. Поскольку в ближайшем будущем десантированию будет подвергаться экипаж внутри транспорта, возрастает цель обеспечить десантируемую технику всеми мерами безопасности не только во время десантирования, но и во время транспортирования боевой машины в грузовой кабине летательного аппарата.



1. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧИМАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИ

1.1 Общие замечания

На этапе оценки средств десантирования для боевой машины десанта БМД-4М и бронетранспортера БТР-МДМ был выявлен недостаток - отсутствие упорной части в экстренной швартовке. Данное обоснование вызвано с целью обеспечения безопасности при аварийных случаях, когда работы швартовочных связей (цепей) экстренной швартовки может оказаться недостаточно и появится необходимость удержать транспорт от перемещения по направлению полета. На рисунке 1 приведена схема дополнительной швартовки десантируемого транспортного средства.

Рис. 1. Схема экстренной швартовки

В связи с необходимостью повышения сохранности самолета, стабильности его полета, защищенности экипажа и пилотов - было принято решение повысить надежность крепления боевой машины десанта и бронетранспортера в грузовом отсеке самолета типа Ил-76МД, МДМ, МД-90А.

Система безопасностив грузовом отсеке самолета особенно необходима, поскольку его ключевая роль заключается в обеспечении безопасности кабины пилотов от пробития габаритно-массовым транспортным средством в случае аварийной посадки.



1.2 Обзор литературы

1.2.1 Источники по сопротивлению материалов

Основные понятия об статическом анализе изложены в основных разделах курса сопротивления материалов, например, Феодосьев В.И. в книге «Сопротивление материалов» [1], привел такие разделы как растяжение, сжатие, кручение, изгиб, теория напряженного состояния, теория прочности, устойчивость и т.д.

Привел экспериментально-теоретические основы курса сопротивление материалов, методы расчетов элементов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость Икрин В.А. в книге «Сопротивление материалов с элементами теории упругости и пластичности» [2].

В третьем томе С.Д. Пономарева, В.Л. Бидермана «Расчеты на прочность в машиностроении» [3] излагаются расчеты элементов машиностроительных конструкций при динамических нагрузках, расчеты на выносливость и расчеты элементов конструкций на устойчивость.

По мимо этого была рассмотрена более новая литература в учебно-методических пособиях, из которых можно отметить работу Вассермана В.В. «Сопротивление материалов» [4], Никитина С.В. «Прикладная механика. Часть 1. Сопротивление материалов» [5], Зиневича С.И. «Сопротивление материалов. Часть 1.» [6], Эрдеди Н.А. «Сопротивление материалов» [7] и Петрова Ю.В. «Сопротивление материалов» [8]

1.2.2 Справочные пособия

В производственных условиях не всегда удобно обращаться к подробным курсам по сопротивлению материалов, чтобы быстро найти необходимую формулу, и, кроме того, не всегда нужная книга оказывается под руками. В таких случаях очень полезным является справочник. В каждом разделе справочника даются основные формулы без выводов, но с необходимыми пояснениями, облегчающими практическое применение. Так, например, в 1970 г. Рудицын М.Н. в совместной работе с Артёмовым П.Я. под названием «Справочное пособие по сопротивлению материалов» [9] привели данные для расчета стержней на растяжение-сжатие, сдвиг, кручение, для расчета статически определимых и статически неопределимых балок и рам на прочность и жесткость. Затем в 1988 г. Писаренко Г.С. в совместной работе с Яковлевым А.П. и Матвеевым В.В. под названием «Справочник по сопротивлению материалов» [10] привел сведения по основным вопросам курса сопротивления материалов для высших учебных технических заведений, а также данные по результатам достаточно широкого круга наиболее типичных элементов конструкций.

Поскольку в первую очередь изделие подверженное исследованию имеет авиационный характер, то есть необходимость к рассмотрению авиационных материалов. В связи с этим была принята во внимание книга Зиновева В.С. «Справочник по авиационным металлам и сплавам» [11]. В данном справочнике собраны материалы справочного характера по черным и цветным металлам, и сплавам, применяемым в советском и иностранном авиастроении.

Рассмотрены особенности затяжки одиночных и групповых резьбовых соединений, конструктивные и технологические способы повышения стабильности от условий нагружения, сборки и эксплуатации в совместной работе Иосилевича Г.Б., Строганова Г.Б., Шарловский Ю.В. «Затяжка и стопорение резьбовых соединений» [12]. Переработанное издание учитывает новое стандарты, а также дополнено материалами по расчету и контролю затяжки групповых соединений и свинчиваемости соединений из коррозионно-стойких сталей и сплавов, по оценке эксплуатационной надежности резьбовых соединений.

В справочном пособии Скобелевой И.Ю. «Краткий справочник инженера-конструктора» изложены правила оформления чертежей, нормативные материалы, необходимые для выполнения чертежей деталей и их конструктивных элементов, стандартных крепежных изделий и соединительных деталей [13].

Приведены общетехнические сведения, справочные данные по конструкционным материалам, шероховатости, поверхности, допускам и посадкам, конструктивным элементам деталей, крепежным изделиям, стандартизированным и нормализированным деталям и узлам в первом томе справочника Анурьева В.И. «Справочник конструктора-машиностроителя». В 9-м издании 1 тома было увеличено количество зарубежных аналогов отечественных материалов [14]. Во втором томе приведены основные современные справочные сведения по расчету валов, подшипников скольжения и качения, муфт, зубчатых, червячных, винтовых, цепных, плоско- и клиноременных передач [15].

Были рассмотрены справочники Корсакова В.С. [16, 17] в которых описывается проектирование, сборка и монтаж изделий машиностроения на базовом уровне.

1.2.3 Отраслевые стандарты

При помощи отраслевых стандартов был произведен подбор мелких деталей конструкци, их обработка, маркировка, расчет на прочность и т.д. Исходя из проделанной работы следует отметить следующие отраслевые стандарты:

- ОСТ 1 39502-77. Стопорение болтов, винтов, шпилек, штифов и гаек [18];

- ОСТ 1 00021-78. Авиационный стандарт. Термическая и химико-термическая обработка деталей группы контроля [19];

- ОСТ 1 35000-78. Штифты цилиндрические с полями допусков диаметра z7 и u8. Конструкция и размеры [20];

- ОСТ 1 34507-80. Отраслевые стандарты. Шайбы [21];

- ОСТ 1 00010-81. Выход резьбы. Сбеги, недорезы, недокаты, проточки и фаски [22];

- ОСТ 1 33109-86. Гайки шестигранные корончатые усиленные. Конструкция и размеры [23];

- ОСТ 92-0994-75 Соединения и соединительные элементы металлоконструкций агрегатов специального назначения. Расчет и конструирование [24].

1.2.4 Межгосударственные стандарты

На практике работа инженера не может увидеть свет без межгосударственных стандартов, поэтому для реализации данной работы были также задействованы ГОСТы.

Так, например, прокат легированной конструкции стали был рассмотрен в техенических условиях по ГОСТ 4543-71 [25], подбор стальных бесшовных труб [26], основные нормы взаимозаменяемости и основные размеры трапецеидальное резьбы были взяты из ГОСТ 24737-81 [27].

Поскольку коснтрукция предназначена для долговременного хранения, то был принят во внимание ГОСТ 10877-76 [28], в котором описаны нормы консервации изделия, при помощи специального масла К-17. Нанесение гравированной надписи на конструкцию по ГОСТ 26.008-85 [29].

1.2.5 Аналитический расчет

Основной внимание в аналитическом расчете уделяется расчету резбовых и сварных соединений. Расчет сварных и резьбовых соединений на растяжение-сжатие, срез и смятие витков был рассмотрен сразу в нескольких источниках: учебное пособие Тарханова В.И. «Резьбовые соединения: учебное пособие» [30]; методические указания Швец А.Я. «Резьбы и резьбовые соединения.: методические указания» [31]; методические указания Баловнева Н.П. «Расчет резьбовых соединений и винтовых механизмов» [32]; методические указания Лебского С.Л. «Методика расчета на прочность резьбовых соединений» [33]; учебно-методическое пособие Матыгуллиной Е.В. «Сварные и резьбовые соединения и их расчет» [34].

Для расчета динамических перегрузок в кабине самолеты использовались временные технические требования к технике и грузам, предназначенным для воздушной транспортировки их в самолете Ил-76 [35].

1.2.6 Компьютерное моделирование

Компьютерное моделирование модели происходило за счет таких программных комплексов САПР, как SolidWorks и Компас 3D. Для их изучения помимо обычного опыта пользования также приходилось прибегнуть к рассмотрению книг и методических указаний

Приведено описание инструментальных средств и технологии трехмерного моделирования при проектировании и конструировании сложных технических комплексов привел Соллогуб А.В. в своей работе «SolidWorks 2007: технология трехмерного моделирования» [45].

Рассмотрены вопросы создания конструкторской документации в среде известной российской системы Компас-3D в учебном пособии Самсонова В.В. «Автоматизация конструкторских работ в среде Компас 3D» [46].

Рассмотрены материалы, ускоряющие освоение приемов создания моделей сборочных единиц в среде КОМПАС-3D описанные в учебном пособии Большакова В.П. «Выполнение сборочных чертежей на основе трехмерного моделирования в системе Компас-3D» [47]. В работе представлены примеры моделирования и оформления конструкторской документации армированного изделия, изделия с резьбовыми соединениями и изделия со шпоночным и штифтовым (гладкими) соединениями.

Начальные навыки для работы с САПР SolidWorks помогло приобрести методическое пособие Куприкова М.Ю. под названием «Твердотельное моделирование деталей в среде геометрического моделирования SolidWorks» [48].

Привела основные способы создания эскизов и трехмерных моделей, создания чертежей на основе трехмерной модели Бочкарева С.А. в учебно-методическом пособии «Инженерная и компьютерная графика. Компас 3D» [49].

Работа Бурцева А.А. «Автоматизированное проектирование 3D моделей узлов оборудования в приложении Solidworks» [50] помогла приобрести и закрепить профессиональные навыки трехмерного геометрического моделирования в SolidWorks.

Рассмотрены системы автоматизированного проектирования и инженерного анализа Денисовым М.А. в учебном пособии «Автоматизированное проектирование в ANSYS и КОМПАС-3D» [51].

Подробно рассмотрены вопросы трехмерного (3D) и двумерного (2D) параметрического и непараметрического моделирования объектов машиностроения, а также возможности оформления конструкторской документации средствами системы «КОМПАС-3D» в соответствии со стандартами ЕСКД в работе Максимовой А.А. «Инженерное проектирование в средах CAD. Геометрическое моделирование средствами системы КОМПАС-3D» [52].

1.2.7 Метод конечных элементов

Численный метод решения задачи является основой работы. По его результатам, спроектированная конструкция изготавливалась на производстве и подвергалась испытаниям.

Основы одного из наиболее эффективных современных методов численного решения инженерных, физических и математических задач приведены в книге Зенкевича О.С. «Метод конечных элементов в технике» [36], Морозова Е.М. «Метод конечных элементов в механике разрушения» [37], Уланова А.М. «Основы метода конечных элементов» [38], Тухфатуллина Б.А. «Численные методы расчета строительных конструкций» [39]

В пособии Самогина Ю.Н. «Метод конечных элементов в задачах сопротивления материалов» [40] приведены основные понятия, определения метода конечных элементов (МКЭ), вывод матриц жесткости, относящихся к расчету стержневых систем при растяжении-сжатии, кручении, изгибе, сложных видах нагружения стержней.

Значительное внимание уделено методам решения систем линейных уравнений в статических и динамических задачах метода конечных элементов в книге Бате К. и Вилсона Е.М. «Численные методы анализа и метод конечных элементов» [41].

В книге Клованича С.Ф. «Метод конечных элементов в нелинейных задачах инженерной механики» [42] излагаются основы метода конечных элементов применительно к нелинейным задачам. Приводятся соотношения для стандартных конечных элементов. Формулируется целый класс нестандартных элементов, характерных для нелинейных задач.

Излагаются следующие главы курса «Сопротивление материалов»: растяжение-сжатие, кручение, изгиб, растяжение-сжатие с кручением, косой изгиб, косой изгиб в сочетании с растяжением-сжатием, с растяжением-сжатием и кручением, теория напряженного и деформированного состояний, пластины, толстостенные трубы и тонкостенные оболочки в учебном пособии Мишенкова Г.В. «Метод конечных элементов в курсе сопротивления материалов» [43]. Каждая глава учебного пособия включает основные положения теории и расчетные формулы. Отличительная особенность пособия -- широкое использование метода конечных элементов (МКЭ).

Вычислительные основы метода конечных элементов применительно к расчету стержневых систем приводит Гайджуров П.П. в своей книге «Использование метода конечных элементов для решения задач строительной механики» [44].



1.2.8 Источники по компьютерным программным комплексам инженерного анализа конструкций

ANSYS является универсальной программной системой конечно-элементного анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, является довольно популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов (САПР, или CAE) и КЭ решения. Именно этот тип программного обеспечения был выбран для реализации решения расчета МКЭ. Данный тип был выбран исходя из множеств положительных характеристик, одной из которых является удобный для освоения рабочий интерфейс.

Для освоения данного рода программы была рассмотрена работа Пантелеева В.Ю. «ANSYS. Курс молодого бойца» [53], Чигарева А.В. «ANSYS для инженеров» [54], Морозова Е.М. «ANSYS в руках инженера. Механика разрушения» [55].

Принят во внимание справочник Басова К.А. «ANSYS» [56], где автор приводит общее описание комплекса, сведения о графическом интерфейсе, типах применяемых конечных элементов, методах создания геометрической модели и сетки конечных элементов, а также примеры использования комплекса.

Рассмотрены методические указания Ильясова Д.А. «Расчётное моделирование в ANSYS Mechanical» [57] для выполнения лабораторных работ и расчета задач базового уровня.

Детально изложены приемы обращения с программой для расчета напряженно-деформированного состояния линейных, плоских и пространственных задач сопротивления материалов и теории упругости в практическом руководстве написанным Каплуном А.Б. «ANSYS в руках инженера» [58].

Сам же расчет происходил на платформе AnsysWorkbench и в связи с этим была необходимость изучения инженерного анализа в учебных пособиях Бруяка В.А. «Инженерный анализ в ANSYS Workbench» [59, 60]и учебно-методического пособия Голубевой О.В «Моделирование систем. Лабораторные работы в оболочке AnsysWorkbench» [61].

1.2.9 Зарубежные источники

Для решения данного рода задачи, зачастую, была необходимость прибегнуть к изучению иностранной литературы разного рода.

В справочнике Штейнберга Б.И., Браймана Б.М. под названием «Справочник молодого инженера-конструктора» [62] приведены краткие общие рекомендации по проектированию изделий и технологической оснастки, применяемых в машиностроении, с учетом физико-механических свойств и технологических особенностей различных конструкционных материалов .

Фокусируется на создании инженерных чертежей, включая размеры и допуски, а также использование стандартных деталей и инструментов BethuneJ.D. в книге «EngineeringDesignandGraphicswithSolidWorks 2016» [63].

Для оказания помощи инженерам и физическим наукам в изучении всесторонних навыков линейной статической и динамической методологии конечных элементов ThomasJ.R. рекомендует свою работу под названием «TheFiniteElementMethod: LinearStaticandDynamicFiniteElementAnalysis» [64].

В книге ThompsonM.K. «ANSYSMechanicalAPDLforFiniteElementAnalysis» [65] представлено практическое введение в технический анализ, с использованием одной из самых мощных коммерческих программ конечных элементов привел типа ANSYSMechanicalAPDL.

Различные аспекты метода конечных элементов в систематическом применении к инженерным задачам привел RaoS.S. в книге «TheFiniteElementMethodinEngineering» [66]. Раскрывает структурную механику за методом конечных элементов HartmannF. в своих трудах под названием «StructuralAnalysiswithFiniteElements» [67].



1.3 Цель и задачи работы

Из анализа литературы можно с уверенностью подтвердить отсутствие источников по данной тематике. Однако, при помощи временных летных требований можно выполнить расчет динамических инерционных перегрузок. Данная книга позволяет получить максимальные расчетные (разрушающие) нагрузки, которые могут проявляться в кабине самолета. Зная численное значение перегрузок можно приступить к проектированию системы безопасности.

На основании вышенаписанного основной целью магистерской диссертации является разработка новой универсальной конструкции упора для экстренной швартовки боевых машин типа БМД-4М и БТР-МДМ в грузовом отсеке самолета Ил-76МД, МДМ, МД-90А, которая ранее не применялась в эксплуатации.

Разрабатываемая конструкция служит для работы в экстренной ситуации типа аварийной посадки. Исходя из этого появляются следующие задачи, которые конструкция обязана выполнять:

-Безопасность авиатранспорта;

-Безопасность кабины пилотов от пробития во время аварийной посадки самоле0та;

-Безопасность экипажа боевой машины десанта и бронетранспортера во время перевозки воздушным транспортом;



2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

В магистерской диссертационной работе рассматривается упор в виде конструкции специальной стойки (Рис. 2.). Работа данной конструкции заключается в страховании жизней экипажа боевой машины десанта, пилотов самолета, а также самого воздушного судна от пробития кабины пилотов габаритно-массовым транспортным средством.

Рис. 2. Конструкция стойки

2.1 Расчетная схема и расчетные случаи

Для расчета максимальных разрушающих нагрузок, испытываемых конструкцией стойки, была необходимость использования полетной массы боевой машины десанта БМД-4М и бронетранспортера БТР-МДМ. Также в составе В таблице

модель стойка балка тяга

Таблица 3

Наименование параметра	Численное значение
Масса снаряженного БМД-4М с экипажем	14500 кг
Масса снаряженного БТР-МДМ с экипажем	13200 кг
Масса парашютной системы	1600 кг
Коэффициент расчётных-инерционных перегрузок в грузовой кабине Ил-76МД	1,3

Расчетная (разрушающая) нагрузка приходящая на стойку считается по формуле



Ррасч. = M Ч з

где M - масса снаряженной боевой машины с парашютной системой;

з - коэффициент, динамических инерционных перегрузок на случай посадки Ил-76.

Отсюда получаем, что конструкция стойки должна выдерживать нагрузку численно равной:

- РБМД-4М = (14500+1600) Ч 1,3 = 20930 ? 21000 кгс (205940 Н);

- РБТР-МДМ = (13200+1600) Ч 1,3 = 19240 ? 19250 кгс (188780 Н);

В дальнейшей в работе будет использоваться наибольшая нагрузка численно равная 21000 кгс (205940 Н).

На рис. приведена расчетная схема нагружения конструкции стойки в рабочем положении.

Рис. Схема нагружениястойки

2.2Первоначальные варианты конструкции

Первоначально на проектирование модели экстренной швартовки были предложены сборочные варианты двух типов:

- Сборочная конструкция стойки в составе «Балка поперечная» (Рис. 4.);

- Сборочная конструкция стойки в составе «Тяга упорная» (Рис. 5.).

Стойка, входящая в состав обеих конструкций, крепится к швартовочным узлам пола самолета. Крепление стойки к швартовочным узлам пола грузового отсека самолета осуществляется двумя способами, в зависимости от выбора сборочной конструкции:

- через кронштейн в составе упорной тяги;

- через левосторонний и правосторонний кронштейны в составе балки поперечной.

При помощи сферического наконечника модель стойки плавным образом упирается в специальную «чашу», закрепленную на боевой машине. Схема её расположения приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Конструкция стойки в рабочем положении

Длина стойки регулируется для возможности ее крепления к разным швартовочным узлам пола самолета.

Рис. 4. Конструкция стойки в составе балки поперечной

Рис. 5. Конструкция стойки в составе упорной тяги



2.3 Материал конструкции, его свойства и прочностные характеристики

Основные материалы, применяемые для изготовления сборочных конструкций балки поперечной и тяги упорной, являются сталь 30ХГСА по ГОСТ 4543-71, сталь 30ХГСА по ГОСТ 8731-74, сталь 30ХГСН2А по ГОСТ 4543-71.

Изначально, сталь марки 30ХГСА разрабатывалась советскими учеными как материал для авиационной промышленности. Элементы управления, педали и другие механизмы самолетов середины 20 века полностью изготавливали из данного сплава. Но наука не стояла на месте. Спустя некоторое время благодаря характеристикам сталь 30ХГСА нашла применение и стала доступной для остальных сфер промышленности. И сразу же началось массовое использование стали машино- и станкостроением.

Рис. 6. Химический состав стали 30ХГСА

Сталь 30ХГСН2А применяется для изготовления шестерней, фланцев, кулачков, пальцев, валиков, осей, шпилек и других ответственных тяжелонагруженных деталей, изготовления наиболее ответственных деталей авиастроения - шасси, крыльев и центроплана самолета, стыковых соединений, полок лонжерона и болтов прессованных профилей, сортового и фасонного проката, листов и полос, труб.



Рис. 7. Химический состав стали 30ХГСН2А

Сталь 30ХГСА относится к группе легированных сталей, в то время как 30ХГСН2А является высокопрочной, конструкционной, высококачественной и хромокремнемарганцовоникелевой, что делает её в 1,5 раза прочнее стали 30ХГСА.

Ниже приведена перечень деталей входящих, как в составе балки поперечной (Табл. 1.), так и в составе упорной тяги (Табл. 2.).

Таблица 1

Деталь	Материал	Временное сопротивление разрыву увр,
Наконечник сферический	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080
Труба		686
Наконечник резьбовой	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080
Вилка	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080
Болт	30ХГСН2А ГОСТ 4543-71	1620
Труба		686
Болт	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080
Вкладыш	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080
Вкладыш	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080
Кронштейн правосторонний	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080
Кронштейн левосторонний	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080

Таблица 2

Деталь	Материал	Временное сопротивление разрыву увр,
Наконечник сферический	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080
Труба		686
Наконечник резьбовой	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080
Вилка	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080
Болт	30ХГСН2А ГОСТ 4543-71	1620
Кронштейн	30ХГСА ГОСТ 4543-71	1080



3. СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛИ СТОЙКИ В СОСТАВЕ КОНСТРУКЦИЙ «БАЛКА ПОПЕРЕЧНАЯ» И «ТЯГА УПОРНАЯ»

Целью испытаний являлась проверка прочности макетных образцов для экстренной швартовки, а именно, стойки в составе «упорной тяги» и «поперечной балки» на расчетную (разрушающую) нагрузку.

В проведенных испытаниях экстренной швартовки был использован габаритно-массовый макет (ГММ) изделия БМД-4М (БТР-МДМ) массой 16100 кг, оборудованный средствами десантирования (без замка).

ГММ был установлен на рольганговое оборудование стенда-имитатора пола самолета Ил-76, при этом зазоры между направляющими ползунами передней и задней кареток центрального узла и монорельсом оборудования выставлены в соответствии с требованиями руководства по эксплуатации. С внешней стороны кормовой части ГММ был установлен упор, служащий плечом для оперения стойки (Рис. ).

Рис. Задняя часть гамбаритно-массового макета

изделия БМД-4М (БТР-МДМ)

3.1 Статические испытания модели стойки в составе конструкции «Балка поперечная»

Конструкция «поперечная балка», закреплена на стенде-имитаторе, аналогично ее креплению к полу самолета Ил-76. Стойка закреплена одним концом на кронштейне (в составе поперечной трубы 70Ч5), а сферическим наконечником в чашу упора. (Рис.)



Рис. Крепление стойки в составе балки поперечной на стенде-имитаторе

В соответствии с программой испытаний экстренной швартовки, испытания конструкции балки поперечной проводились по двум вариантам. В варианте №1 максимальной эксплуатационной (67% от Ррасч.) и расчетной (разрушающей) (100% Ррасч.) нагрузкам подвергалась стойка в составе конструкции балки поперечной.

Рис. Имитирование схемы нагружения стойки в составе балки поперечной в лаборатории статических испытаний

Нагрузка создавалась гидравлическим силовозбудителем и плавно прикладывалась с интервалом в 10% от Ррасч. В процессе нагружения осуществлялось визуальное наблюдение за состоянием элементов конструкции балки поперечной. Под нагрузкой в 40% от Ррасч. (8000кгс) наблюдается деформация изгиба поперечной балки в плоскости ХОZ(Рис. ), которая увеличивалась по мере увеличения нагрузки.



Рис. Модель под нагрузкой 40%

При нагрузке 58% от Ррасч. наблюдается значительная деформация изгиба поперечной балки в плоскости XOZ (Рис. ), нагрузка не растет, а деформация увеличивается. Происходит разрушение поперечной балки. Характер разрушения разрыв трубы 70Ч5 по отверстию под болт Ш16 мм (Рис. ). После демонтажа, визуального осмотра и обмера остаточных деформаций стойка не имеет. В связи с разрушением поперечной балки в зоне крепления стойки к трубе, испытания до 100% Ррасч. не проводилось.

Рис. Разрушение конструкции стойки в составе балки поперечной под нагрузкой 12200 кгс

Рис. Зона деформации трубы 70Ч5



3.2 Статические испытания модели стойки в составе конструкции «Тяга упорная»

В варианте №2 максимальной эксплуатационной (67% от Ррасч.) и расчетной (разрушающей) (100% Ррасч.) нагрузкам подвергалась стойка в составе конструкции «упорная тяга».

Схема нагружения(Рис. ) была имитирована в лаборатории статических испытаний. Нагрузка также, как и в предыдущем случае создавалась гидравлическим силовозбудителем. В процессе нагружения велось визуальное наблюдение за состоянием конструкции «упорная тяга». Нагружение было доведено до 67% от Ррасч. (14000 кгс) (Рис. )

Рис. Упорная тяга под нагрузкой 67% от Ррасч.

После трехминутной выдержки под нагрузкой и последующей полной разгрузкой упорная тяга была визуально осмотрена. Наличия остаточных деформаций трещин выявлено.

Нагружение было продолжено до расчетного значения нагрузки. При достижении нагрузкой 100% Ррасч. (21000 кгс) разрушения не произошло. После полной разгрузки и визуального осмотра - наличия остаточных деформаций, трещин и других изменений не обнаружен). Вид упорной тяги после испытаний приведен на рис. .



Рис. Конструкция стойки в составе упорной тяги после испытаний

3.3 Выводы по проведенным статическим испытаниям

1. Прочность стойки в составе балки поперечной проверена статическими испытаниями на расчетную (разрушающую) нагрузку согласно программе и методике статических испытаний и не отвечает требованиям программы. При нагрузке Р=58% Ррасч. (12200 кгс) произошло разрушение одного из элементов экстренной швартовки - поперечной балки.

2. Прочность стойки в составе упорной тяги проверена статическими испытаниями на расчетную (разрушающую) нагрузку и удовлетворяет требованиям программы статических испытаний.



4. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦИИ

Целью данного расчета является проверка на прочность и определение коэффициентов запаса прочности элементов конструкций нагруженные силой P = 21000 кгс (205940 Н). Данные материалов, используемых для изготовления каждого элемента приведены в таблице 1-2.

4.1 Расчет болтового соединения вилки и кронштейна

Рис. . Расчетная схема

4.1.1 Расчет болта на срез

Площадь поверхности, работающей на срез:

F = m Ч = 2 Ч = 402 мм2

где d = 16 мм - диаметр болта;

m = 2 - число срезов, т.е. плоскостей по которым происходит срез.

Критическая сила:

Pкр.ср. = ф ср Ч F = 972 Ч 402 = 390744 Н (39844,8 кгс)

где фср = уврЧ 0,6 = 1620 Ч 0,6 = 972МПа - допускаемое напряжение среза стали 30ХГСН2А;

F - площадь поверхности, работающей на срез.



4.1.2 Расчет болта на смятие

Площадь поверхности, работающей на смятие:

F = a Ч d = 20 Ч 16 = 320 мм2

где a= 20 мм - расстояние между стенками вилки,

d= 16 мм - диаметр болта.

Критическая сила:

Pкр.ср. = ф ср. Ч F = 972 Ч 320 = 311040 Н (31717,25 кгс)

где фср = уврЧ 0,6 = 1620 Ч 0,6 = 972МПа - допускаемое напряжение среза стали 30ХГСН2А;

F - Площадь поверхности, работающей на смятие.

Из двух полученных нагрузок критической для болта будет наименьшая:

Pкр. = Pкр.ср. = 31717,25 кгс

Коэффициент запаса прочности:

з = = = 1,51



4.2 Проверка трапецеидальной резьбы на растяжение

Рис. Модель вилки

Усилие, вызывающее срез витков:

Pкр.ср. = k Ч фср = 0,65 Ч 648 = 360251,77 Н

где фср = уврЧ 0,6 = 1080 Ч 0,6 = 648 МПа - допускаемое напряжение среза стали 30ХГСА,

dвн = 33 мм - внутренний диаметр резьбы,

k = 0,65 - коэффициент полноты резьбы.

Коэффициент запаса прочности:

з = = = 1,79

4.3 Проверка прочности сварных швов

Критическое напряжение:

укр = = = 312,17 МПа

где P = 205940 Н - сила, действующая на стойку,

д = 3 мм - толщина стенки трубы,

Lш = р Ч dвнеш. = р Ч 70 = 219,9 мм - длина сварного шва.

Коэффициент запаса прочности:

з = = = 1,21

где - коэффициент прочности сварного соединения:

К1= 0,5- коэффициент, зависящий от свойств свариваемых материалов и способа сварки (выбран минимально возможный);

К2= 0,7- коэффициент, учитывающий напряженное состояние вид и способ контроля сварного соединения;

= 1080 МПа - временное сопротивление разрыву стали 30ХГСА.



5. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

5.1 Компьютерное моделирование стойки в составе конструкции «Балка поперечная» в среде SolidWorks

При помощи современного программного комплекса SolidWorks были построены 3D модели деталей конструкции. Затем посредством функции «Сборка из детали» была выполнена сборочная модель стойки в составе балки поперечной (Рис. )

Рис. Модель стойки в составе балки поперечной в среде SolidWorks

Также в данном программном комплексе были имитированы стандартные сопряжения (совпадение, параллельность, перпендикулярность, касательность, концентричность) и механические сопряжения (винтовое соединение). Для более визуального отображения резьбового соединения на рис. изображена модель стойки в разрезе.

Рис. Резьбовое соединение



Был учтен максимальный угол под которым стойка устанавливалась во время проведения статических испытаний (Рис. ).

Рис. Максимальный угол эксплуатации стоки в составе упорной тяги

5.2 Расчет модели стойки в составе конструкции «Балка поперечная» в среде ANSYS

Смонтированная сборочная единица «балка поперечная» была импортирована в среду CAE программного комплекса ANSYS.

Для более ясной картины, а именно избегания погрешностей и высоких концентраторов напряжений модель была упрощена. В разделе «Geometry» при помощи функции «SuppressBody» были убраны некоторые модели подсборочной единицы, такие как шпильки, болты, гайки, шайбы и т.д. Данные виды элементов сборочной единицы были заменены на контактные взаимодействия при помощи подраздела «Connection» и функций «Contacts» и «Joints».

Далее в разделе Mesh был выбран метод разбивки на КЭ сетку «HexDominantMethod» для всех деталей сборочной единицы, кроме болта. Данный выбор метода позволяет разбивать модель на конечные элементы прямоугольной формы. Болт соединяющий стойку с кронштейном балки поперечной был разбит функцией «AutomaticMethod», данный выбор обоснован тем, что для такой формы модели, как болт, наиболее подходит сетка пирамидоидальной формы. Общий вид разбитой модели на КЭ, а также размер одного элемента приведены на рис.. Поскольку решаемая задача реализовывалась в ANSYSWorkBench, выбор типа конечного элемента по умолчанию стоял за подпрограммным пакетом.

Рис. Конечно-элементная сетка

Затем в разделе «StaticStructural» были сымитированы граничные условия, такие как приложение силы к сферическому наконечнику (Force) и шарнирное закрепление, позволяющее совершать движение лишь вдоль оси Z. Левосторонний и правосторонний кронштейны конструкции были закреплены от всех перемещений в зоне установки их на оборудование пола грузового отсека (Рис..).

Рис. Имитирование граничных условий

Во вкладке «Solution» раздела «StaticStructural» были выбраны 3 вида результатов прочностного анализа - напряжения по Мизесу «EquivalentStress», деформация по Мизесу «EquivalentElasticStrain» и суммарные перемещения «TotalDeformation».

После проведенного расчета были получены следующие зависимости:

- Максимальные напряжения = 1829,3 МПа (Рис. )

- Максимальная деформация = 0,0091464 мм/мм (Рис. )

- Максимальные перемещения = 41,902 мм (Рис. )

Место максимальных напряжений, место максимальных деформаций совпадает с результатом, полученным во время проведения статических испытаний. Сборочная единица разрушается по отверстию под болт Ш16 мм натрубе 70Ч5.

Рис. Распределение полей напряжений по Мизесу

Рис. Распределение полей деформаций

Рис. Распределение полей суммарных перемещений

При помощи простых алгебраических вычислений можем вычислить коэффициент запаса прочности.

з = = 0,59

умножив коэффициент запаса прочности на приложенную нагрузку получаем



Р = з Ч Ррасч. = 0,59 Ч 21000 = 12390 кгс

Поскольку в момент проведения статических испытаний в момент разрушения была зафиксирована нагрузка 12200 кгс, то исходя из полученных результатов погрешность расчета составляет 0,55 %.

5.3 Компьютерное моделирование стойки в составе конструкции «Тяга упорная» в среде SolidWorks

Аналогично предыдущей модели была построена сборочная единица упорной тяги. Поперечная балка была заменена на кронштейн и при помощи стандартных сопряжений был прикреплен к концу вилки в зоне крепления болта. Модель стойки в составе упорной тяги изображена на рис.

Рис. Модель стойки в составе упорной тяги

Так же был учтен угол и длина под которым стойка устанавливалась во время проведения статических испытаний (Рис. ).

Рис. Геометрические данные стоки в составе упорной тяги во момент проведения испытаний

5.4 Расчет модели стойки в составе конструкции «Тяга упорная» в среде ANSYS

Смонтированная сборочная единица «тяга упорная» была импортирована в среду CAE программного комплекса ANSYS.

В разделе Mesh также был выбран метод разбивки на КЭ сетку «HexDominantMethod», а болт соединяющий стойку с кронштейном был разбит функцией «AutomaticMethod». Общий вид разбитой модели на КЭ, а также размер одного элемента приведены на рисунке.

Рис. Конечно-элементная сетка

В разделе «StaticStructural» были сымитированы граничные условия. Кронштейн был закреплен от перемещений по всем осям (FixedSupport) в зоне установки их на оборудование пола грузового отсека. Сферический наконечник был ограничен в перемещениях по оси X и Y и вращениях по всем осям (Displacement). Действие силы размером в минус 205940 Н происходит вдоль оси Х (Force) на сферическом наконечнике стойки.

Во вкладке «Solution» раздела «StaticStructural» были также выбраны 3 вида результатов прочностного анализа - напряжения по Мизесу «EquivalentStress», деформация по Мизесу «EquivalentElasticStrain» и суммарные перемещения «TotalDeformation».



Рис. Имитирование граничных условий

Рис. Распределение полей напряжений по Мизесу

Рис. Распределение полей деформаций

Рис. Распределение полей суммарных перемещений

После проведенного расчета были получены следующие зависимости:

- Максимальные напряжения = 896,85 МПа (Рис. );

- Максимальная деформация = 0,0046299 мм/мм (Рис. );

- Максимальные перемещения = 1,5171 мм (Рис. ).

Отсюда коэффициент запаса прочности будет равен

з = = 1,2

умножив коэффициент запаса прочности на приложенную нагрузку получаем

Р = з Ч Ррасч. = 1,2 Ч 21000 = 25200 кгс

5.5Устранение дефектов, выявленных на испытаниях элементов экстренной швартовки

Анализ результатов данных испытаний показал, что проведение мероприятий по повышению прочности поперечной балки приведет к значительному росту её массы.

На основании этого проектирование элемента экстренной швартовки БМД-4М (БМД-4) было продолжено с реализацией способа крепления стойки непосредственно к швартовочному узлу через кронштейн без использования поперечной балки. В связи с этим принимается решение:

- Увеличить длину резьбовой части вилки до 500 мм, тем самым сделать конструкцию упорной тяги регулируемой.

Данные изменение позволят применять конструкцию упорной тяги, при расположении БМД-4М (БМД-4) в начале, середине и в конце грузовой кабины самолета Ил-76МД.

В связи с принятым решением длина вилки была увеличена (Рис. ) от 303 мм до 505 мм для стойки в составе упорной тяги.

Рис. Модернизированная версия вилки



6. ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ МОДЕЛИ СТОЙКИ С МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ ВЕРСИЕЙ ВИЛКИ В СОСТАВЕ КОНСТРУКЦИИ «ТЯГА УПОРНАЯ»

6.1 Компьютерное моделирование стойки с модернизированной версией вилки в составе конструкции «Тяга упорная»

После проведения мероприятий по устранению недостатков конструкции, модель вилки была заменена на удлиненную версию. Данное изменение позволило увеличить длину стойки до 1120 мм. Общий вид стойки в составе упорной тяги с модернизированной вилкой изображен на рис.

Поскольку грузовой отсек Ил-76МД имеет возможность вместить 3 транспортных средства БМД-4М (или БТР-МДМ), то при каждом из трёх расположений транспорта упорная тяга будет иметь свой угол установки, а стойка свою длину.

Исходя из данного условия в программном комплексе SolidWorks при помощи функции «Стандартные сопряжения» в сборке регулировался угол (относительно продольной оси) и длина стойки.

Рис. Конструкция «Тяга упорная» в случае расположения

боевой машины в начале грузовой кабины



Рис. Конструкция «Тяга упорная» в случае расположения

боевой машины в середине грузовой кабины

Рис. Конструкция «Тяга упорная» в случае расположения

боевой машины в конце грузовой кабины

6.2 Численный расчет стойки с модернизированной версией вилки в составе конструкции «Тяга упорная»

Смонтированная сборочная единица «упорная тяга» с модернизированной версией вилки была импортирована в среду конечно-элементного анализа ANSYS.

6.2.1 Расчет стойки в составе конструкции «Тяга упорная» на случай расположения груза в начале грузовой кабины

Согласно схеме расположения БМД-4М (БТР-МДМ) в начале грузовой кабины, конструкция упорной тяги имеет расположение под углом 26оотносительно продольной оси монорельса (Рис. ) и 16о относительно поперечной оси монорельса (Рис. ). Длина стойки 945 мм.

...