Оптимизация конструкции рессоры из полимерных композиционных материалов легкого многоцелевого самолета «Ястреб» С-012

целью уменьшить жесткость рессоры при сохранении внешних размеров, обеспечить нужную величину поглощения энергии при посадке, обеспечить необходимую прочность и, по возможности, уменьшить массу.

Одна из характерных особенностей конструкции такого типа – неравнопрочность материала (рис. 2). Это связано с тем, что при изгибе внешние слои ткани испытывают большие деформации, а внутренние – маленькие (рис. 2). А при использовании одного материала так же распределяются и напряжения. Таким образом, жесткость рессоры можно уменьшить, обеспечив одинаковый уровень напряжений по строительной высоте материала рессоры.

Стеклоткань в исходных рессорах выкладывалась в одном направлении (основой вдоль рессоры). При этом не использовалось одно из основных достоинств композиционных материалов. Известно, что модуль упругости стеклопластика зависит от угла укладки ткани, при этом изменяются и прочностные характеристики. Однако за-

Рис. 1. Модель рессоры

Рис. 2. Распределение нормальных деформаций по строительной высоте рессоры при ее изгибе висимости характеристик упругости и прочности от укладки различны. Поэтому, меняя угол укладки можно получить композит с нужными свойствами. В частности, меняя угол укладки по строительной высоте рессоры, можно получить равнопрочную конструкцию.

Для упрощения раскроя ткани было принято решение разделить строительную высоту обеих половинок рессоры на 3 равных слоя, в каждом из которых выкладывать стеклоткань со своим углом. Исследования показали, что для данного поперечного сечения и нагрузок желаемые результаты достигаются при использовании 30-ти слоев ткани Т-10. Десять внешних слоев укладываются под ±30° (наименьший модуль упругости), средние слои ± 20°, внутренние слои - 0°(мак-симальный модуль упругости) (рис. 3).

Рис. 3. Распределение напряжений по строительной высоте новой рессоры

Рис. 4. Деформация сечений рессоры

Следующая важная особенность, выявленная благодаря использованию конечноэлементного моделирования, это деформация поперечного сечения рессоры при нагружении (рис. 4).

На прямых участках рессоры сечение вследствие нелинейных эффектов (больших перемещений) стремится вогнуться внутрь (принять форму восьмерки), а в изогнутой части рессоры – наоборот, выгибается наружу (принимает «О-образную» форму). В обоих случаях клеевые швы, соединяющие половинки рессоры, могут испытывать разрывающие нагрузки, недопустимые для такого типа соединения. При увеличении нагрузки возможна потеря устойчивости в сжатых зонах рессоры.

Для решения этих проблем было решено поставить вертикальные перегородки, которые препятствовали бы этим перемещениям. После чего, результаты расчетов показали, что на прямых участках достаточно поставить по одной стенке, а на изогнутом участке 3 стенки (рис. 5).

Рис. 5. Усиливающие вертикальные стенки

Output Set: Case 18 Time 0.18

Deformed(133.8): Total Translation

Рис. 6. Деформирование рессоры при стояночных нагрузках

V4

L1

Output Set: Case 53 Time 0.53 Deformed(339.7): Total Translation

Рис. 7. Деформирование рессоры при эксплуатационных нагрузках

Диаграмма обжатия основной стойки шасси с пневматиком с комбинированной укладкой 30 слоев ткани Т-10 и продольными стенками

рессора пневматик сумма экспл расч

Рис. 8. Результаты расчета

После этого был проведен окончательный расчет рессоры.

Для наглядности достигнутых результатов, была посчитана рессора, все слои ткани которой уложены основой вдоль ее оси.

Диаграмма обжатия рессоры с п невматиком с укладкой 30 слоев ткани Т-10 основой вдоль рессоры и продольными

рессора пневматик сумма     экс пл     расч

Рис. 9. Результаты расчета рессоры с однонаправленной укладкой ткани

Рис. 10. Напряжения в волокнах ткани в центральной части рессоры при разных способах укладки

Для удобства, основные характеристики обоих вариантов расчета сведены в табл. 1, 2 и 3.

С учетом рекомендаций и изменений, полученных в результате расчета, была изготовлена рессора. Сначала выклеивались отдельно верхняя и нижняя части рессоры, каждая в своей матрице, обе состояли из 30 слоев ткани Т-10, внешние 10 слоев под углом 30°, средние 10 слоев под углом 20°, и внутренние 10 слоев – вдоль оси рессоры (0°). После подготовки и вклейки пенопластовых вкладышей, части были склеены между собой.

Для испытания рессоры был разработан и изготовлен специальный стенд.

Рис. 11. Внешний вид рессоры

Рис. 12. Испытательный стенд

Таблица 1. Сравнение характеристик рассчитанных рессор

	Комбинированная укладка	Однонаправленная укладка	Изменение, %
h э =	0,35 м	0,32 м	-8,57
Р э =	8110 Н	8882 Н	9,52
n э = Р э /G	2,07	2,26	9,18
h max	0,524 м	0,48 м	-8,40
p max	10453 Н	11499 Н	10,01
n max	2,67	2,93	9,74
Максимальные напряжения в волокнах наружного слоя центрального сечения рессоры	234 Мпа	290 Мпа	23,93

Таблица 2. Напряжения в слоях рессоры при комбинированной укладке

se 81 Time 0.81 Contour: Lam Ply1 X Normal Stress

Верхняя оболочка.

Наружный слой

Output

ase 81 Time 0.81

Contour: Lam Ply4 XNormal Stress

-279.59

Output SYet: CXase 81 Time 0.81 Contour: Lam Ply7 X Normal Stress

114.73

Output

ase 81 Time 0.81

Contour: Lam Ply1 XNormal Stress

280.11

-100.

-200.

-300.

-400.

-100.

-200.

-300.

-400.

400. n 300.

-100.

-200.

-300.

-400.

Верхняя оболочка.

Средний слой

Верхняя оболочка.

Внутренний слой

Нижняя оболочка.

Наружный слой

Нижняя оболочка.

Средний слой

-100.

-200.

Outp ut SYet: CXase 81 Time 0.81 Contour: Lam Ply4 XNormal Stress

-300.

-400.

268.38

Output SYet: CXase 81 Time 0.81

Contour: Lam Ply7 X Normal Stress

400. н

-100.

-200.

-300.

-400.

Нижняя оболочка. Внутренний слой

Нагружалась рессора шпильками, которые подтягивались снизу гайками. Величина нагрузки снималась динамометром, на котором висела рессора. Нагружение проводилось сту- пенчато, через каждые 100 кг измерялось перемещение. Таким образом, рессора была нагружена до 1500 кг. Результаты испытаний сведены в диаграмму, для наглядности на этой же

Таблица 3. Напряжения в слоях рессоры при однонаправленной укладке

диаграмме показана кривая, полученная в конечно-элементном расчете.

Небольшое расхождение теоретической и экспериментальной кривой обусловлено тем, что в реальных условиях рессора нагружается немного по-другому: нагрузка прикладывается не к оси, а к колесу, не учтен прогиб самого стенда, не учтен ход динамометра.

Тем не менее, изготовленная рессора получилась менее жесткой, чем предыду- щая, выдержала нагрузку, достижимую в реальных условиях лишь при посадке с двукратной перегрузкой, а, кроме того, стала легче на 3 кг.

Работоспособность рессоры доказана успешными испытаниями в составе самолета. Работа рессоры в режимах взлета и посадки полностью подтвердили состоятельность проведенной работы.

Рис. 13. Начало испытания рессоры (предварительная нагрузка 100 кг)