Расчет на прочность силового шпангоута вертолета из композиционного материала и металла

Расчет на прочность силового шпангоута. В программе Siemens NX были созданы две модели шпангоутов. Первая модель состояла из сборочных узлов, таких как боковая часть шпангоута, верхняя и нижняя полки. Все узлы были собраны и соединены с помощью призонных болтов в сборку. Вторая модель шпангоута была изготовлена из КМ без использования сборочных операций. Данные изделия полностью соответствовали габаритным размерам друг друга. Рисунки моделей представлены ниже.

Рисунок 1 – Силовой шпангоут в сборе

Рисунок 2 – Цельный силовой шпангоут из КМ

На цельной модели шпангоута производилась выкладка композитного материала из однонаправленного углепластика в виде препрега. Использовалось 200 слоев материала толщиной 0,05 мм, что в конечном итоге дало нам толщину изделия в 10 мм. Укладка осуществлялась под углами 45, -45, 0, -45, 45 градусов.

Рисунок 3 – Визуальный контроль направления выкладки углепластика

После того как металлическая и композиционная модели были готовы для дальнейших расчетов, они были нагружены силами в местах крепления подредукторной рамы и шасси. Расчет производится в момент посадки вертолета.

В узлах крепления подредукторной рамы прикладываем усилие N равное весу редуктора, втулки несущего винта с комплектом лопастей с учетом перегрузки, поделенное на 4 узла крепления редуктора. Усилие N равно 1800 ньютон, на каждый узел крепления подредукторной рамы.

Подредукторная рама крепится к 7 и 10 силовым шпангоутам. Силы действующие от шасси были определены с помощью второго закона Ньютона.

Рисунок 4 – Приложение сил в местах крепления агрегатов

В результате были получены значения полных деформаций шпангоутов, а так же значения коэффициентов запаса прочности.

Рисунок 5 – Значения полных деформаций металлического

шпангоута

Рисунок 6 – Коэффициент запаса прочности металлического

шпангоута

Рисунок 7 – Значения полных деформаций композиционного

шпангоута

Рисунок 8 - Коэффициент запаса прочности композиционного шпангоута

По полученным данным можно сделать выводы о характере распределения наибольших напряжений. В металлическом шпангоуте они распределяются по всему поперечному сечению, что в свою очередь может вызвать разрушение изделия в данном месте.

В данных расчетах максимальные деформации металлического шпангоута составили 31 %, композиционного шпангоута 42 %.

Так же с помощью критерия Цая-Хилла, для композиционного шпангоута, мы можем определить во сколько раз допускаемые напряжения превышают действующие с помощью показателя RF в модуле ASP(POST) ПК ANSYS [2]. В местах наибольших напряжений RF =0,949, что соответствует условия прочности.

Коэффициент запаса прочности шпангоута из металла составил 3,3, что так же соответствует условиям прочности.

Заключение. В данной статье был выполнен сравнительный анализ силовых шпангоутов из металлического и композиционного материала, в котором было выявлено, что прочность изделия из КМ соответствует условиям прочности конструкции при использовании для выкладки препрега из углепластики под углами 45, -45, 0, -45 и 45 градусов. Масса данного изделия из КМ была меньше на 34 % , что является большим преимуществом композиционного шпангоута. Актуальность использования изделия из КМ была подтверждена расчетными методами.