Самолету (деталям, узлам)

Лекция 1

1. Общие вопросы проектирования.

Определение и задачи проектирования.

Проектирование-процесс создания технической документации, позволяющей обеспечить промышленное изготовление летательного аппарата (ЛА) и его эксплуатацию с заданными характеристиками и в заданных условиях.

Техническая документация в соответствии с требованиями ЕСКД делится на три группы:

1. Конструкторская документация (КД);

2. Технологическая документация (ТД);

3. Эксплуатационная документация (ЭД).

Теперь рассмотрим подробнее каждый вид:

1). КДвключает в себя схемную, конструкторскую, монтажную и текстовую документацию.

КД отражает основные идеи и принципы, заложенные в проект, и отвечает на вопрос «что должно быть изготовлено?».

2). ТД – схемы технологического членения, схемы сборки, схемы увязки, монтажные схемы, технологические процессы (последовательность операций с определенным инструментом, оборудованием, сборочной оснасткой, измерительной оснасткой с указанием трудоемкости), конструкторская документация, руководящие технологические материалы, рекомендации, стандарты, производственные инструкции.

ТД регламентирует методы и средства сборки и изготовления и отвечает на вопрос «как изготовить?».

3). ЭД – тексты (руководство по эксплуатации и т.д.), рисунки, чертежи, схемы и т.д.

ЭД регламентирует вопросы эксплуатации и отвечает на вопрос «как правильно эксплуатировать ЛА?».

Задачей проектирования является разработка схемы, структуры и конструкции будущего самолета и составляющих его элементов, которая должна обеспечить при определенных ограничениях наиболее эффективное выполнение поставленных целей.

Требования, предъявляемые к проектируемому

самолету (деталям, узлам).

Перечислим требования, предъявляемые к проектируемому самолету и составляющих его элементов:

1. Удовлетворять своему назначению.

2. Технологичность (свойство самолета (детали, узла), позволяющее изготовить его на современном технологическом оборудовании с минимальными затратами труда и времени).

3.Надежность и живучесть (надежность – свойство объекта сохранять во времени значения всех параметров, характеризующих его работоспособность в заданных условиях; живучесть – свойство объекта сохранять работоспособность при наличии неблагоприятных факторов и повреждений).

4. Экономичность (прежде всего, окупаемость средств за определенный промежуток времени).

5. Экологические требования (по шуму, выхлопным газам, токсичным веществам, экологически чистое производство и т.д.).

6. Требования ICAO (международные требования), НЛГС (нормы летной годности самолетов и вертолетов), нормы прочности, РДК (рекомендации для конструкторов).

1.3. Этапы проектирования (л2.14.02)

Критическое количество человек в коллективе ОКБ:

300-500 человек – лёгкие – средние

3000-5000 человек - серьёзные

Этапы: глобальный (внешнее – взаимоотношения: заёмщик ОКБ) и внутреннее проектирование.

АНТК (внутреннее, внутри ОКБ):

- предварительное проектирование

- эскизное проектирование

- рабочее проектирование

Внешнее проектирование:

- анализ областей и условий применения,

- разработка общей концепции (какой будет самолёт, какой тип двигателя…),

- операционное моделирование,

- тактико-технические требования, экономические, и оценка будущего самолёта.

Внутреннее проектирование:

– разработка концепции самолёта,

– формирование облика самолёта (эскиз + описание, обоснование),

– определение структуры подсистемы самолёта,

– моделирование,

– параметрические исследования (подбор наилучших параметров – удлинение, сужение…),

– анализ эффективности оптимизации – техническое предложение.

(1-5 человек,. 1-4 недели, 30 вариантов, погрешность массы: 8-10%).

Эскизное проектирование:

- определение КСС (состав, взаимное положение, назначение констр. элементов),

- компоновка самолёта,

- центровка, весовые, аэродинамические, прочностные расчёты, аэроупругость, экспериментальные исследования, макетирование – эскизный проект.

(10-200 человек, 3-12 мес., 150 вариантов, погрешность массы – 5%).

Силы действующие на ЛА

- проводятся различные экспериментальные исследования

- макетирование (изготовление из других материалов – дерево…)

В итоге эскизный проект, утверждённый комиссией.

Эту работу выполняют 10-200 человек, от 3-12 мес., прорабатывают 150 вариантов. Погрешность массы – 5 %.

Рабочее проектирование:

– разработка технической документации (чертежей, технологичн. и эксплуатац., прочностные размеры),

– экспериментальные исследования работы,, опытно – конструкторские работы (уточняющие расчёты (аэтод. прочн. массы), стендовые отработки систем (если есть зачем, то делаются исправления в чертежах…),

– изготовление опытного образца,

– государственная комиссия.

3. Принципы и правила конструирования (л6 22.02)

Принципы – обобщённая группа правил конструирования.

3.1. Принцип max экономической эффективности.

3.2. Принцип min массы.

3.3. Принцип аэродинамической эффективности.

3.4. Принцип max технологичности.

3.5. Принцип заданной долговечности, ресурса, живучести.

Решая взаимосвязь принципов и правил и их противоречивости, непрерывный поиск решений – в виде компромисса.

3.1. Принцип max экономической эффективности.

3.1.1. min затрат при разработке и проектирования.

3.1.2. min затраты при серийном производстве.

3.1.3. min при эксплуатации.

3.1.1.1. Системный подход при распределении средств

1) первоначальное проектирование

2) изготовление опытного образца

3) лётные испытания

4) доконструирование (доработки)

5) внедрение констр. изменений (доработки).

3.1.1.2. Max преемственность конструкции

1) анализ и использование агрегатов предыдущих самолётов

2) глубокий анализ всех знаний данной и смежной областях науки и техники

3) грамотный анализ на основе глубокого понимания, модификация старых (старая конструкция – отработанная, проверенная , известны все слабые и сильные стороны).

- применение известных узлов и агрегатов

- ознакомление с информацией аналогов

- испытание стандартных изделий и узлов

- применение унификации

Стандарт – гарантия качества.

АНУ – авиац. нормаль унифицированная

3.1.1.3. Внедрение автоматизированного проектирования

- трудности в оценке большого количества вариантов

ЭВМ : - отказ от упрощений и осреднений

- учесть ряд второстепенных требований

- устранение ошибок в расчётах

Внедрение САПР: сокращение сроков проектирования в 2-3 раза, снижение затрат

на 50-60 %.

3.1.1.4. min стоимость материалов

Стоимость материалов – значительная часть стоимость планера.

3.1.1.5. Использование рациональной технологичности изготовления

КИМ (коэф. использ. матер.) = m_ДЕТ. / m_ЗАГОТ.

Сверх пластичная деформация снижает стоимость на 50-70%;

стоимость фюзеляжа из КМ на 17% дешевле.

3.1.2. min затраты в серийном производстве

- удовлетворять требованиям технологичности

- повышать качество чертежей

- max преемственность конструкции

- широко использовать нормализованные, унифицированные и стандартные элементы и узлы (детский конструктор).

3.1.3. min затраты в эксплуатации

Необходимо:

- увеличить межремонтный период,

- увеличить срок службы самолёта,

- снижение расхода топлива,

- удовлетворять эксплуатационным требованиям (экспл. технологичности и ремонтопригодности)

Технологическое обслуживание самолёта состоит:

1) монтаж / демонтаж,

2) текущий осмотр,

3) регулировка,

4) загрузка / разгрузка,

5) заправка,

6) транспортировка,

7) защита от коррозии,

8) незначительные ремонтные работы.

3.1.3.1. Требования быстрого и удобного монтажа / демонтажа

- хорошие подходы к креплению элементов, эксплуатационные разъёмы,

- при стыковке (расстыковке) отдельных частей самолёта не должна нарушаться регулировка проводн. управления,

- стыкуемые элементы должны быть жесткими и не изменять свою форму при расстыковке, в конструкции необходимы места для домкратов, подставок, узлы для подъёма самолёта краном.

3.2.15. Правило местного усиления (л10 1.03)

Перераспределение материала из недогруженных зон в нагруженные (перегруженные).

Надо перераспределить материал так:

Ставят накладки:

Установка в ослабленные части промежуточных элементов из более прочного материала (втулки, наконечники, подшипники).

Отбортовка для увеличения жёсткости тонкостенной конструкции:

Использование отбортовок и рифтов для увеличения жесткости конструкции

3.2.16. Правило «культурного» конструирования

- устранять острые углы, обрабатывать на конус обшивку и профиля

- для внутренних элементов применять без плакирования АЛ сплавы (они на 2-4% легче плакированных)

- для болтов, работающих на срез применять болты с уменьшенными высотами головок и гаек. Выход болта за гайку – 1,2 – 1,5 витка

- не несущие детали соединять пустотелыми заклёпками

- включать в расчёт штамповочные уклоны, приливы и т.д. или удалять их если в расчёт не включены.

3.3. Принципы аэродинамического совершенства

Включает 2 группы правил:

1) уменьшение аэродинамического сопротивления Сх,

2) увеличения аэродинамического качества К = Су / Сх, (Сх * S) = min,

(Cx * S) = max, (Cy / Cx) = max.

Рекомендации:

- по возможности не выносить в поток не несущие элементы конструкции

- если несущие элементы попали в поток, то необходимо закрыть обтекателями

- тщательно выбирать места для размещения заборников, дренажа и надува

- устранять перетекания потока между подвижными и неподвижными частями агрегатов, между навесками агрегатов и планера

- обеспечить соответствующее качество поверхностей, омываемых потоком, по точности обвода и шероховатости

- обеспечить жесткость агрегатов (местную и общую), если жесткость небольшая => локальные потери устойчивости => волнистость => повышение Сх

- нарушая сплошность поверхности элементов – меньшая вероятность срыва потока

3.4. Принципы обеспечения заданной долговечности

и ресурса самолёта

Для обеспечения заданного ресурса 2 подгруппы правил:

- решения, которые приводят к увеличению периода до появления усталостных трещин

- решения, позволяющие ограничить скорость роста трещин. Усталостные трещины из–за появления сдвига в материале.

; ; ; ; .

Усик – американский профессор, «Усталость материалов»

Для понижения трещин:

- рациональный выбор материала

	Д-16	В-95
	440 МПа	540 МПа

Нижняя панель (растянутая) – Д-16Т, верхняя (сжатая) – В-95.

«Проектирование элементов конструкции» - Рябков, Панасенко.

3.4.2. Правило рациональной организации НДС

Уменьшения действий в элементах напряжений путём увеличения площади поперечного сечения

Самый простой, но самый дорогой – увеличение массы.

Лонжеронное крыло с неработающей обшивкой (л14 13.03)

- лонжероны, пояса – на растяжение / сжатие,

Q – лонжероны и стенки (стена на сдвиг),

- пространственная конструкция (пространственной конструкцией образованной лонжеронами, усиленными нервюрами, расчалками).

ЯК – 18 – такое крыло.

Такое крыло получается меньше по массе для малых интенсивностей нагружения крыла, заставить работать обшивку нецелесообразно.

Предварительная затяжка расчалок увеличивает крутильную жёсткость пространственной конструкции.

-очень маленькая величина, В – расстояние между лонжеронами.

Лонжеронное крыло с частично работающей обшивкой

Ла-9

-100% лонжероны, пояса,

Q – 100% лонжероны и стенки (стена на сдвиг),

- замкнутые контура, образованные стенками лонжеронов + обшивка.

Нет стрингеров, ,

расстояние между нервюрами, работает как диагон. поле.

Лонжеронное крыло с работающей обшивкой

Изгибающий момент воспринимает 50% лонжерон + 50 % панели (верх – сжатие, нижная - растяжение).

Q – лонжероны – стенки (работают на сдвиг)

- замкнутые контуры.

В нижней панели обычно меньше стрингеров (т.к. положительная перегрузка обычно в 2 раза меньше отрицательной).

При разъёмных стыковых узлах необходимо перед стыковкой узлам лонжеронов передать весь изгибающий момент (обшивка не участвует). Поэтому пояса лонжеронов утолщаются в корневой части – недостаток. Стыковые узлы одинаковые.

Кессонные крылья

Изгибающий момент воспринимают: >50% панели, <50% лонжероны.

Q – лонжерон + негоризонтальные участки обшивки.

- замкнутый контур.

Определим нагрузки действующие на болт в фитинговом соединении:

- нагрузка, действующая на панель,

- нагрузка на верхний болт ( - число верхних болтов),

- нагрузка на нижний болт.

( - шаг).

Для нижних: , ( + нижний болт, - верхний болт).

Затяжна нижних болтов должна быть такой, что бы фиттинговое соединение не раскрылось.

При восприятии :

, , .

Проектирование нервюр (л18 21.03)

Создаёт аэродинамический профиль, воспринимает местную аэродинамическую нагрузку от обшивки.

Удельная нагрузка на крыло: ,

- нагрузка, действующая на нервюру во время прямолинейного равномерного полёта.

- расчётная нагрузка.

Происходит закручивание контура – появление потока касательных напряжений:

Дополнительный закручив. момент действующий на нервюру

- дополнительный поток касательных усилий.

Можно определить нагрузку действующую на одну заклёпку:

Как работает сама нервюра:

1-й ряд заклёпок:

2-й ряд заклёпок:

Если известно М и Q, то берётся ,

Рассчитываем и выбираем большую из них.

В сечениях можно делать облегчение – отверстия:

Носок нервюры.

Часто делается съёмным, крепится анкерными гайками.

, , .

Проектирование силовых нервюр

Воспринимает сосредоточенные нагрузки от агрегатов расположенных в крыле или присоединённые к нему.

Сила Р переносится в ц.ж.

Таким образом все поперечные силы распределяются между лонжеронами.

Общие формулы для определения реакций

Расчёт стенок лонжерона (л22 27.03)

Q распространяется пропорционально изгибающим жесткостям.

- эта - учитывает крутящий момент, а в расчётно-графической работе мы не учитываем. Если панели в пластической области, то:

Повторим этапы проектирования крыла:

1. Описание, геометрия крыла, обоснование.
2. Определение нагрузок, моментов, построение эпюр.
3. Выбор КСС
4. Проектировочный расчёт ( )
5. Учёт ограничений, накладываемые на конструкцию (компоновочные, конструктивные, технологические, эксплуатационные).
6. Проверочный расчёт.

Учёт ограничений, накладываемый на КСС крыла

Например:

Приходится выбрать лонжеронную конструкцию, так как в кессонной конструкции невозможно сделать центроплан.

Технологические.

Необходимо где-то изменить расстояния так, что бы совпали силовые элементы (стыковка шпангоутов с лонжеронами).

Ограничения, связанные с прикреплением и размещением грузов (агрегатов).

Делают внутренние подкосы (МиГ-15,17,19).

Технологические ограничения – по минимальным толщинам

Обшивка, рёбра …- должны быть достаточно крепки (не ломаться от удара ключа, или тяжести человека).

Выбор оптимального расстояния между нервюрами

Расстояние между нервюрами выбираем из условия минимальной суммарной массы нервюр и панелей крыла (вместе).

- расчёт площади сечения панели.

С увеличением интенсивности нагрузки

Масса стенки растёт не так быстро, как нагрузка.

Блок-схема проектирования крыла

Методы повышения долговечности,

ресурса и герметичности заклёпочных соединений (л26 3.04)

Любая заклёпка (там где она установлена) – является потенциальным источником трещин, концентратор напряжений.

Опыт эксплуатации самолётов показал, что наиболее слабой зоной с точки зрения разрушения является коническое гнездо под коническую головку.

Если работа без изгиба – то наиболее опасная зона 2 (max концентрация напряжения), из-за неточности зенковки.

.

Если есть изгиб:

то в этом случае наиболее опасная зона 1 (бывает зона 2), для не потайных, только зона 1.

Заклёпка “Lockheed”(1970г.)

Для расклёпки головки – необходимо усилие. За счёт расклёпки выпуклости – заклёпка раздаётся. Они плохо работают на отрыв.

В ХАИ в 1969г. Заклёпка уплотнительная с корончатым компенсатором.

Увеличивается контакт, повышается долговечность и ресурс в 5-6 раз.

Эффект был использован для деформирования головки.

1971г. ЗУК-1 – заклёпка утопления с конусом.

Необходимо сфрезировывать. Устанавливается герметизация (дождь…).

Доработки: ЗУКК = АНУ-0301 (Ан-72).

Обеспечивает контроль глубины зенковки, т. к. верхний слой сфрезировывается. Если остаются канавки (2шт.), то перезенковка. Необходимо высверлить заклёпку и вставить новую. Контроле пригодность. ОСТ-1 340 48-85,ОСТ-1 340 49-85.

С помощью заклёпки АНУ-0301 с Ан-72 сняли 100 кг герметика, снижено трудоёмкость герметизации отсеков в 2-2.5 раза.

Если есть герметичность – то есть долговечность.

У.З. – универсальная заклёпка.

Американская заклёпка-стержень.

Обеспечивается натяг по всей длине шва. Но необходимо закреплять и пакет и заклёпку (фиксировать). Необходимо избегать завала заклёпки (эффект сапожок). Необходимо сфрезировывать верную часть.

Три вида стыковых узлов. (л30 18.04)

Корневая стойка передаёт нагрузку от стойки к стыковому узлу.

- поэтому её учитывать не будем.

Масса проушины:

Считаем удельную массу болта и проушины одинаково.

; число плоскостей среза (учитывает срез).

;

- зависит от параметров проушины (концентричность, неравномерность распределения напряжений, нагрузку определяем по графикам).

коэффициент перестраховки;
Необходимо найти параметры проушины минимальной массы.

(0,45-0,55) – оптимальный вариант.

Для изменения момента (дополнительно), на поясе необходимо:

Минимальная масса возможна за счёт правильного выбора , уменьшенного количества плоскостей среза (чаще всего 2 плоскости среза).

Определение количества болтов соединяющих проушину с поясами:

число горизонтальных болтов,

число вертикальных болтов,

Бывают такие:

Проектирование фюзеляжа

Фюзеляж – силовое звено (элемент) уравновешивающее на себе массовые и аэродинамические нагрузки.

КСС – состав и взаимное расположение, силовая увязка силовых элементов.

КСС фюзеляжей:

- ферменные; (элементы фермы работают только лишь на сжатие и растяжение)

- балочные.

В ферменной – обшивкой воспринимается местная воздушная нагрузка, создаётся обтекаеиый контур.

Балочные:

- балочно-лонжеронные,

- балочно-стрингерные,

- балочно-шпангоутные,

- скорлупные.

В балочных конструкциях воспринимается обшивкой и подкрепляющим её каркасом.

(л34 15.05)

КСС оперения так же как и крыла зависит от многих факторов. У оперения этих факторов ещё больше.

Назначение – служит для обеспечения устойчивости управляемости и балансировки.

Г.О. - для обеспечения продольной устойчивости управляемости и балансировки.

В.О. – путевой.

Устойчивость – иметь тенденцию возвращения к исходной траектории после действия некоторого возмущающего фактора.

Управляемость – способность слушаться рулей.

Балансировка – равновесия сил и моментов относительно осей (всех).

Состав оперения:

- состоит из подвижных и неподвижных частей.

Г.О. – стабилизатор(может быть переставным) + руль высоты; (М<1),

В.О. – киль + руль направления

ЦПГО – М > 1,5 – 2.

Переставляемое Г.О. три положения: взлётное, посадочное, крейсерское.

(Аэродинамика самолёта ТУ-154).

По нашему учебнику гл. 9, стр. 242-265.

КСС оперения выбирается по той же методике, как и у крыла. Методология такая, но схема может и не быть как у крыла.

В силу целого ряда ограничений, КСС стабилизатора и особенно киля отличается от КСС киля.

ЦПГО:

(л34 15.05)

КСС оперения так же как и крыла зависит от многих факторов. У оперения этих факторов ещё больше.

Назначение – служит для обеспечения устойчивости управляемости и балансировки.

Г.О. - для обеспечения продольной устойчивости управляемости и балансировки.

В.О. – путевой.

Устойчивость – иметь тенденцию возвращения к исходной траектории после действия некоторого возмущающего фактора.

Управляемость – способность слушаться рулей.

Балансировка – равновесия сил и моментов относительно осей (всех).

Состав оперения:

- состоит из подвижных и неподвижных частей.

Г.О. – стабилизатор(может быть переставным) + руль высоты; (М<1),

В.О. – киль + руль направления

ЦПГО – М > 1,5 – 2.

Переставляемое Г.О. три положения: взлётное, посадочное, крейсерское.

(Аэродинамика самолёта ТУ-154).

По нашему учебнику гл. 9, стр. 242-265.

КСС оперения выбирается по той же методике, как и у крыла. Методология такая, но схема может и не быть как у крыла.

В силу целого ряда ограничений, КСС стабилизатора и особенно киля отличается от КСС киля.

ЦПГО: