Развитие методов расчётно-экспериментального обеспечения проектирования, испытаний и производства композиционных и гибридных авиаконструкций

Основание для постановки работы: Федеральная целевая программа «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 – 2010 годы и на период до 2015 года»; Извещение Экспертного Совета при Научно- координационном совете Министерства промышленности и торговли Российской Федерации от 18 июня 2012 года, информационный листок 24.

Проблемы, их состояние и предлагаемые пути решения 1 Обеспечение прочности механических соединений элементов конструкций из КМ Сейчас эта проблема решается путем испытания конструктивно подобных образцов, что долго и дорого, либо исходят из предельно допустимой деформации пакета КМ, величина которой назначается по статистическим данным. Планируется разработка методики расчетной оценки прочности пакета КМ при наличии концентраторов напряжений по паспортным характеристикам монослоёв и схеме укладки пакета. Существующая схема обеспечения прочности соединений из КМ Испытания простейших образцовИспытания конструктивно подобных образцов Испытания прототипа

Проблемы, их состояние и предлагаемые пути решения 2. Обеспечение несущей способности подкрепленных тонкостенных конструкций из КМ с потерявшей устойчивость обшивкой (закритического деформирования) Конструктивно-технологические ограничения приводят к внутренним самоуравновешенным напряжениям и взаимовлиянию моментного и мембранного напряженного состояния в пакете КМ, что снижает прочность и жесткость слоистых обшивок, приводит к непредсказуемым последствия для несущей способности конструкции. Данная проблема не разработана до состояния, необходимого для практической реализации на инженерном уровне. Типовая схема расчета закритического поведения ячейки В работе предполагается разработать математический аппарат для численного исследования потери устойчивости и закритического деформирования слоистых композитных панелей при произвольных компоновках пакетов, исследовать влияние компоновок на несущую способность, сформулировать рекомендации по формированию унифицированных укладок Схема расчета закритического НДС по новой методикеОсобенности деформирования КМ

Проблемы, их состояние и предлагаемые пути решения 3 Обеспечение устойчивости и прочности отсеков фюзеляжей перспективных пассажирских самолётов с интегральной аэродинамической компоновкой R A A b a q Q w z v y u x MкMк Коммерческие программные пакеты NASTRAN и ANSYS реализуют приближенные методы расчёта, основанные на универсальных изопериметричесих конечных элементах. В работе предполагается разработка более точных нелинейных методов расчёта, учитывающих естественную кривизну оболочки, и новых конечных элементов на их основе для расчёта фюзеляжей некруговой формы поперечного сечения с обшивкой, изготовленной из КМ. Расчетная схема отсека фюзеляжаРезультаты расчета

Цели и задачи исследования 1 Разработка методов расчёта, технологии выбора допускаемых напряжений и конструктивно- технологических параметров высоконагруженных механических соединений силовых элементов из КМ и металла. -экспериментальные исследования НДС и прочности образцов соединений; - отработка методики численного моделирования местного НДС соединений; - подбор критериев прочности, разработка технологии выбора допускаемых напряжений, параметров геометрии и укладки композиционного материала в соединениях под заданные условия нагружения; 2 Решение в геометрически нелинейной постановке задачи устойчивости и закритического поведения тонкостенных подкрепленных элементов авиаконструкций в виде пологих оболочек из слоистых композитов. - создание методов, численных алгоритмов и программного обеспечения для расчета устойчивости и закритического деформирования конструкций с элементами из слоистого композита; - проведение численных исследований прочности и устойчивости панелей из слоистого композита с получением напряжений, критических нагрузок, форм потери устойчивости в широком диапазоне изменения параметров; - формулировка рекомендаций по использованию унифицированных компоновок слоёв. 3 Разработка алгоритма исследования напряженно-деформированного состояния и устойчивости отсеков композитного фюзеляжа с эллиптическими и овальными поперечными сечениями при комбинированном нагружении изгибающими, крутящими моментами, поперечной силой и внутренним давлением: -разработка новых конечных элементов с учетом поперечного сдвига в композите и жестких перемещений элементов в явном виде; - проведение параметрических компьютерных исследований с определением напряженно- деформированного состояния, критических нагрузок местных и общих форм потери устойчивости в широком диапазоне параметров овальности и эллиптичности узкофюзеляжных и широкофюзеляжных самолетов; -разработка рекомендаций по методам расчёта и проектирования конструкций фюзеляжей из композитов.

Основные этапы и сроки выполнения работ 1 Разработка методов расчета устойчивости и напряженно-деформированного состояния тонкостенных элементов конструкций из КМ Начало Окончание Экспериментальное исследование прочности механических соединений КМ при различных формах разрушения с моделированием воздействия влаги и температуры Начало Окончание Численное исследование нелинейного НДС и устойчивости тонкостенных конструкций из КМ Начало Окончание Разработка критериев расчёта на прочность механических соединений из КМ по характеристикам прочности монослоёв и их укладки в пакете. Начало Окончание Численные исследования в геометрически нелинейной постановке НДС и устойчивости подкрепленных некруговых цилиндрических оболочек фюзеляжей при комбинированном нагружении кручением с изгибом и внутренним давлением Начало Окончание Разработка рекомендаций по расчёту на прочность и проектированию механических соединений деталей из КМ и металла в зонах пересечения силовых потоков Начало Окончание

Ожидаемые результаты 1 Метод расчета на прочность и технология проектирования механических соединений высоконагруженных узлов из КМ и металла, которые позволят сократить сроки разработки АТ, уменьшить затраты на типовые испытания образцов соединений элементов конструкции, упростить экспериментальные исследования в обеспечение безопасности полетов по условиям усталостной прочности конструкции. 2 Метод и программное обеспечение для расчета устойчивости и закритического деформирования тонкостенных панелей с произвольной укладкой монослоёв, позволяющие без ограничений оценивать проекты АТ из слоистых композитов. 3 Метод расчёта в геометрически нелинейной постановке напряженно-деформированного состояния и устойчивости композитных оболочек фюзеляжей пассажирских самолетов, новые конечные элементы, алгоритм и программное обеспечение, позволяющие повысить уровень соответствия математических моделей образцам реальных конструкций. Результаты НИР соответствуют целям и задачам государственной программы в области создания научного задела в части, касающейся соответствия математических моделей образцам АТ, сокращению затрат на проведение типовых испытаний, сокращению сроков разработки АТ.