Об усталостной прочности лопасти несущего винта вертолета при действии ветровых нагрузок
А.И. Братухина
Статья посвящена рассмотрению вопроса о напряжениях в невращающейся лопасти и втулке несущего винта вертолета под действием ветровых нагрузок. Сделано допущение, что вертолет находится на стоянке и его винт не вращается. Расчет проводился для несущего винта с шарнирным креплением лопастей. Решена задача о собственных и вынужденных колебаниях лопасти вертолета. Определены деформации и внутренние усилия (изгибающие моменты и напряжения в лонжероне лопасти). Проведен анализ результатов и оценено влияние швартовки лопасти в наземных условиях эксплуатации.
В данной работе рассмотрены случаи нагружения элементов конструкции лопасти и втулки в наземных условиях. Потребность в подобных расчетах всегда существует, в связи с постоянно встречающимися в эксплуатации повреждениями винтов при работе вертолета на земле.
Необходимость рассматривать наземные случаи нагружения вертолета подтверждена в "Нормах летной годности гражданских вертолетов", а также требованиями по сертификации, предъявляемыми за рубежом.
Рассматривается задача определения деформаций и внутренних усилий (изгибающих моментов и напряжений) в лонжероне лопасти несущего винта вертолета под действием ветровых нагрузок. Предполагается, что вертолет находится на стоянке и его винт не вращается. В некоторый момент времени на лопасть действует порыв ветра. Под действием порыва ветра на лопасти возникает аэродинамическая подъемная сила, которая в зависимости от направления ее действия, поднимает лопасть вверх или прижимает вниз. В результате этого лопасть совершает вынужденные колебания в вертикальной плоскости, а лонжерон нагружается изгибающим моментом, действующим в основном в плоскости наименьшей жесткости.
Расчет проводился для несущего винта с шарнирным креплением лопастей.
Движение лопасти относительно горизонтального шарнира происходит свободно до некоторого положения, характеризуемого углом ограничителя свеса (рис. 1а). После этого перемещение лопасти может происходить только за счет ее упругих деформаций. Таким образом, если колеблющаяся под действием внешней нагрузки лопасть находится выше линии OR, то ее движение описывается расчетной схемой, показанной на рис. 1б. После того, как точка А комля лопасти достигла упора ограничителя свеса, ее дальнейшее движение должно быть описано схемой, изображенной на рис. 1в. Для зашвартованной лопасти расчетная схема соответствует рис. 1г.
Малые колебания лопасти невращающегося несущего винта вертолета описываются дифференциальным уравнением в частных производных :
. (1)
В уравнении: - перемещение сечения лопасти в плоскости наименьшей жесткости; - изгибная жесткость сечения лопасти относительно главной оси, лежащей в плоскости хорд; - внешняя распределенная нагрузка:
, (2)
Погонная масса лопасти;
Ускорение силы тяжести.
После подстановки (2) в (1) получим
(3)
Решение уравнения (3) представим в виде разложения в ряд по собственным формам колебаний :
, (4)
где - число собственных форм, принимаемых в расчете;
Форма - ого тона собственных колебаний лопасти в пустоте, которая является функцией ее радиуса;
Некоторые функции времени (коэффициенты деформаций).
Собственные формы определяются из дифференциального уравнения (3), когда его правая часть равна нулю:
(5)
После определения частот и форм собственных колебаний в решении (4), неизвестными останутся только коэффициенты деформаций . Применяя метод Б.Г. Галеркина к системе дифференциальных уравнений изгибных колебаний лопасти, записанных в частных производных (3), после двукратного дифференцирования, получим:
, (6)
. (7)
Подставим (4), (6) и (7) в уравнение (3), а затем умножим его поочередно на и проинтегрируем по радиусу лопасти. В силу ортогональности собственных форм получим систему обыкновенных дифференциальных уравнений, связанных между собой только через аэродинамическую нагрузку:
(8)
;
Частота собственных колебаний лопасти по j-ому тону,
.
Расчет аэродинамических сил, входящих в правую часть уравнения (8), выполняется в зависимости от аэродинамических коэффициентов подъемной силы и силы сопротивления от угла атаки профиля лопасти и числа Маха, полученных по результатам продувок в аэродинамических трубах. Вычисление коэффициентов деформации лопастей выполняется методом численного интегрирования уравнения (8).
Под действием ветровой нагрузки лопасть вертолета, находящегося на стоянке, начинает движение в вертикальной плоскости. В зависимости от того, находится ли лопасть на ограничителе свеса или отошла от него, в решении (4) используются шарнирные или консольные формы колебаний. Коэффициенты деформации, определяемые из системы дифференциальных уравнений (8), также будут соответствовать шарнирным или консольным формам. При колебательном движении лопасти в момент изменения консольных форм на шарнирные и наоборот должно соблюдаться условие сопряжения решений. Это может быть получено путем обеспечения равенства перемещений и скоростей движения лопасти в момент смены форм. Обозначим перемещения и скорости для шарнирно опертой лопасти через
(9)
(10)
а для консольного закрепления
, (11)
. (12)
Приравнивая выражения (9), (11) для перемещений и (10), (12) для скоростей движения и учитывая угол , получим после некоторых преобразований начальные условия для коэффициентов деформации и их производных в момент времени, когда лопасть поднимается с ограничителя свеса:
(13)
Список обозначений
Введение
1. Глава 1. Обзор современного состояния проблемы
1.1 Уравнения деформаций лопасти. Основные допущения. Системы координат
1.2 Распределение индуктивных скоростей на несущем винте
1.3 Расчёт комлевого участка лопасти
1.4 Методы решения уравнений деформаций лопасти
Выводы к главе 1
2. Глава 2. Разработка расчётного метода
2.1 Описание метода расчёта
2.2 Преобразование исходной системы уравнений
2.3 Решение системы уравнений
2.4 Задание граничных условий
2.5 Преобразование членов уравнений аэродинамической нагрузки на лопасть
2.6 Моделирование комлевого участка лопасти
2.7 Моделирование демпферов
2.8 Алгоритм вычислений
Выводы к главе 2
3. Глава 3. Исследование упругих колебаний лопасти несущего винта вертолёта
3.1 Исходные данные
3.2 Собственные колебания недемпфированной системы
3.2.1 Колебания невращающейся консольной балки
3.2.2 Исследования свободных колебаний невращающейся лопасти
3.2.3 Исследования свободных колебаний вращающейся лопасти
3.2.4 Исследования совместных свободных изгибно-крутильных колебаний вращающейся лопасти
3.3 Исследование вынужденных колебаний
3.3.1 Исследование установившегося режима. Режим «горизонтальный полёт»
3.3.2 Исследование стационарного режима. Режим «висение»
Выводы к главе 3
4. Глава 4. Применение расчётного метода для решения практических задач проектирования несущей системы вертолёта
4.1 Исследования собственных характеристик лопасти вертолёта Ми-8, шарнирно подвешенной в горизонтальном шарнире, при её падении на ограничитель свеса
4.2 Исследование собственных характеристик лопасти вертолёта Ми-8, работающих в системе 8ЬЕ8
4.3 Исследование манёвренного режима «горка»
4.3.1 Постановка задачи
4.3.2 Результаты расчёта манёвра методом прямого интегрирования
4.3.3 Сравнение результатов расчета маневренного режима с результатами, полученными квазистационарным методом
Выводы к главе 4
Заключение
Литература
Список обозначений
х0,у0,г0 - неподвижная система координат, связанная с центром втулки х1,у1,г1 - вращающаяся система координат, связанная с центром втулки х,у,г - система координат, связанная с рукавом втулки соответствующей лопасти
х2,у2,г2 - система координат, связанная с сечением лопасти
х3,у3,г3- система координат, связанная с главными осями сечения лопасти
у/ - азимут лопасти, рад
со - угловая скорость вращения втулки, рад/с
е0 - расстояние между осями у и у<пм
хр,ур - координаты центра растяжения в осях х3,у3, м
хт,ут - координаты центра тяжести сечения в осях х3,у3 ,м
хж -расстояние оси жесткости от носка лопасти, м
Ъ - хорда лопасти, м
у(гхЛо) - скорость набегающего потока и её компоненты, м/с
аь - угол атаки винта, рад
(р -угол установки сечения лопасти, рад
в - угол закрутки лопасти за счет её деформации кручения и расстояния, рад
штрих - производная по г или по г
точка над буквой - производная по времени
ах,ау,аг -линейное ускорение точки лопасти, м/с2
рх,ру,рг - составляющие погонной нагрузки в сечениях лопасти, кг
Составляющие погонных моментов в сечениях лопасти, кг-м
р - плотность материала, из которого изготовлена лопасть, кг-м
^ - площадь поперечного сечения лопасти, м
погонная масса лопасти, кг - с /м
1щ,1тг -погонные массовые моменты инерции лопасти относительно осей х, и
Уз > кг-с
/=/+/- погонный массовый момент инерции лопасти относительно оси
жесткости, кг-с
г - координата 2 центра жесткости сечения недеформированной лопасти, м и = г-г- перемещение центра жесткости сечения недеформированной лопасти по оси г, М Я - радиус винта, м
Е1х,Е12- изгибная жесткость лопасти, кг-м2
01 к - жесткость лопасти на кручение, кг-м2
Е,С- модули растяжения и сдвига для лонжерона лопасти
у - коэффициент Пуассона
N - растягивающая сила в сечении лопасти, кг
/ -полярный момент инерции сечения, работающего на растяжение,
относительно оси жесткости, м
^ - площадь сечения, работающая на растяжение, м
в -угол закрутки сечения лопасти за счет её растяжения, рад
0изг - угол поворота сечения лопасти за счет изгиба, рад
гг,гь,гос- выносы горизонтального, вертикального и осевого шарниров, м
КвЪм - коэффициент компенсатора взмаха лопасти вокруг горизонтального
Р - круговая частота собственных колебаний лопасти, кол/мин а-рг
Л ^ ^ > ^ у -составляющие погонных гироскопических сил и моментов
х (г, у (г, {),в (г,?)-деформация лопасти, м
Мд - момент демпфера вертикального шарнира, кг - м
Мпред - максимальный момент, развиваемый демпфером вертикального шарнира с нелинейной характеристикой, кг-м
% 7 - среднее по азимутам значение угла установки недеформированной лопасти на относительном радиусе лопасти г = 0,7, рад
А<р - закрутка сечения недеформированной лопасти относительно сечения г = 0,7, рад
ае - продольное отклонение тарелки автомата перекоса (положительное - на кабрирование), рад
г] - поперечное отклонение тарелки автомата перекоса (положительное - в сторону поступающей лопасти), рад
Уап - вертикальное перемещение тарелки автомата перекоса, м Ау/ап - азимутальное положение тяги управления лопастью при у/ = 0 относительно оси хап, проходящей через тягу продольного управления автоматом перекоса, рад
Яа„,1, -плечи тяги управления лопастью относительно оси вала винта и оси осевого шарнира лопасти, м
у/ап = (// + Д|//пн - азимут лопасти относительно оси хап, рад 2ч - число лопастей Ъ - хорда лопастей, м р - плотность воздуха, кг - м3
Жп - нормальная к оси лопасти составляющая скорости потока, м/с q - погонный аэродинамический демпфирующий момент на лопасти, кг - м хж =хж/Ь - относительное расстояние оси жесткости от носка лопасти Мш - шарнирный момент лопасти, кг-м
^т"Мхап"М-ап" сила и моменты, действующие на автомат перекоса со стороны лопастей
М,М,М - компоненты момента, действующего на винт, относительно
неподвижных осей втулки x0,y0,z0, кг-м
Ту,Тх- подъемная и пропульсивная силы несущего винта в скоростных осях, кг MVM2 - изгибающие моменты в лопастях относительно главных осей,
проходящих через центр растяжения, кг - м
G = л 117 - коэффициент заполнения винта лЯ
b0 7 - хорда лопастей на г - 0,7, м
G, =-,Gn =^2- - изгибные напряжения в лопасти, кг/м2
WY,W2 - моменты сопротивления лопасти при нагибе в плоскостях наименьшей и наибольшей жесткости, м3
X - угол стреловидности передней кромки лопасти, град а - угол атаки сечения лопасти, град
vy -осевая составляющая индуктивности скорости в плоскости винта (о0 > 0-вверх), м/с
о0 - среднее по диску винта значение индуктивности скорости (и0 > 0 -вниз), м/с Кл - коэффициент, учитывающий переменность индуктивности скорости по диску несущего вина
Я = Vsmai>-. коэффициент протекания coR
ц =-ъ- - характеристика режима
Сгг =-т - коэффициент тяги
Г p7iR2{a>R)2
В - коэффициент концевых потерь
сх,с,тп_- аэродинамические коэффициенты сопротивления, тяги и продольного
моменты профиля
М = --- число М для сечения лопасти
а - скорость звука, м/с2
Ж - полная скорость набегающего на лопасть потока, м/с
Рх2а,Ру2а,Р:2а - составляющие погонной аэродинамической силы по осям х2,у2,г2, кг
Рш, Руа, Р:а - составляющая погонной аэродинамической силы по осям х,у,г, кг цка - погонный крутящий момент от аэродинамических сил, кг-м хф - расстояние точки приведения аэродинамических моментов лопасти от оси жесткости (Хф > 0, если точка приведения моментов находится впереди оси жесткости), м
визг - поворот сечения лопасти, вызванный её изгибом в двух плоскостях, рад
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование нагруженности и прочности лопасти несущего винта вертолета на маневренных и неустановившихся режимах»
Введение
Несущая система вертолетов является главным агрегатом, который обеспечивает существование вертолета как летательного аппарата, обладающего вертикальными взлётом и посадкой и не требующего специально подготовленных взлетно-посадочных площадок. Именно ее безотказное функционирование обеспечивает безопасность полета вертолета во всех ожидаемых условиях эксплуатации, в том числе и на неустановившихся режимах, таких как взлет, разгон, посадка и маневры. Процесс проектирования и обеспечение заданных ресурсов требует наличия расчетных методик и прикладного математического обеспечения для определения нагрузок на агрегаты несущей системы и расчета её динамики, как на стадии проектирования, так и в процессе лётных и сертификационных испытаний.
Несущий винт вертолёта определяет его лётные характеристики, устойчивость и управляемость. Наличие несущего винта может приводить к таким явлениям как земной резонанс и флаттер. Он является источником вибраций и переменных нагрузок в силовых элементах конструкции вертолёта. Поэтому расчёт несущего винта является важнейшей задачей при проектировании вертолёта.
Лопасть несущего винта работает под совместным действием аэродинамических и центробежных сил, изгибающих и крутящего моментов. В общем случае поступательного полёта, распределение внешней нагрузки на лопасти зависит от её азимутального положения, а также от движения вертолёта в пространстве. Поэтому расчёт лопасти несущего винта является сложной задачей, для решения которой необходимо рассматривать весь диапазон режимов полёта, возникающих при эксплуатации вертолёта.
Расчеты нагрузок на лопастях винтов вертолета на маневренных режимах является одной из важнейших задач проектирования несущих систем вертолета,
поскольку высокие напряжения в конструкции лопасти на этих режимах существенно влияют на их ресурс. В настоящее время для расчетов нагрузок на этих режимах применяется квазистатический метод, когда в каждый момент времени режим работы несущего винта считается установившимся. Такой подход не обеспечивает высокой точности расчетов, т.к. не учитывает реальной динамики лопасти несущего винта. Таким образом, создание методики расчёта лопастей несущих винтов для манёвренных и переходных режимов позволит повысить надёжность расчётов нагрузок несущей системы вертолёта, уточнить ресурсы агрегатов несущей системы.
Манёвренные и переходные режимы работы несущего винта являются неустановившимися. Нахождение решения уравнений деформаций лопасти для такой задачи приближёнными методами, такими как метод Б.Г. Галёркина ,, не представляется возможным, в связи с невозможностью задания функции внешней нагрузки как периодической. Наиболее целесообразно решать данную задачу, используя метод прямого интегрирования.
В связи с этим, задача разработки обобщённого метода расчёта лопастей несущих винтов вертолёта, позволяющего рассчитывать как установившиеся, так и неустановившиеся режимы полёта (манёвренные, переходные) и получать более точные, по сравнению с существующими методами, результаты, является весьма актуальной.
Таким образом, решается общая задача колебаний лопастей несущего винта с произвольно заданным по их длине распределением нагрузок в каждый момент времени.
Особенностью разработанной методики также является то, что анализируются одновременно все лопасти несущего винта, что позволяет получить мгновенные значения на несущем винте в каждый момент времени, тогда как, например, в работе значение тяги бралось осреднённым за оборот винта. Это обстоятельство позволяет повысить точность расчётов.
Обоснованность научных положений и достоверность полученных результатов подтверждается использованием сертифицированных программных сред (Excel, Visual basic) при разработке алгоритма решения, применением аппарата высшей математики, теоретической механики и теории упругости. Полученные результаты сравнивались с решениями, получаемыми в сертифицированной программной среде MSC Patran/Nsactran, с существующими точными решениями и решениями, полученными другими авторами.
Программа РНВ предназначена для получения значений напряжений в сечениях лопастей несущего винта при любых режимах полёта, в том числе и манёвренных;
Программа СЧ позволяет получать деформации лопасти при её собственных колебаниях.
Собственные частоты и формы лопасти получались из найденных в программе СЧ деформаций, преобразованных методом спектрального анализа. Для этого использовалась программа, разработанная В.А. Ивчиным , реализующая алгоритм быстрого преобразования Фурье.
Глава 1 данной работы содержит обзор существующих методов расчёта лопастей, применяемых в практике проектирования вертолётов, приводятся некоторые теоретические аспекты расчёта, приводятся уравнения деформаций лопасти, взятые за исходные, допущения, формулируются граничные условия. На основании анализа состояния проблемы формируются цель и задачи исследования.
Глава 2 посвящена описанию метода решения уравнений деформаций лопасти. В ней формулируются принятые допущения, обусловленные выбранным методом, описывается преобразование исходной системы
уравнений деформаций лопасти, согласно предложенному методу, записываются граничные условия.
Глава 3 посвящена обоснованию достоверности разработанной методики. В ней рассматриваются задачи собственных и вынужденных колебаний лопасти. Для примера рассматривалась лопасть вертолёта Ми-8. Для исследования собственных колебаний лопасти рассматривается ряд задач, решение которых сопоставляются с известными точными решениями, с результатами, полученными другими авторами, с результатами, полученными в современном конечно-элементном пакете. Задача вынужденных колебаний лопасти рассматривается для режимов «горизонтальный полёт» и «висение». В связи с отсутствием данных, для режима «висение» делается общий анализ полученного решения. Задача установившегося режима является частным случаем для задачи, исследуемой в данной работе. Поэтому решение, полученное в работе для установившегося режима «горизонтальный полёт», используется для подтверждения правильности разработанной методики. Проведены исследования по влиянию на результаты расчета методов расчёта индуктивной скорости по диску несущего винта. Рассмотрены два метода расчёта индуктивных скоростей: метод Глауэрта-Локка на основе импульсной теории, применённой в работе и метод Манглера-Сквайра , на основе дисковой теории, применённой в работах .
Глава 4 посвящена исследованиям ряда задач с применением разработанной методики. Используя разработанную программу СЧ, автором данной работы совместно с В.А. Ивчиным, были проведены исследования разрабатываемой на ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля» системы ЗЬЕБ . Эта система была предложена В.М. Пчелкиным и Н.С. Павленко для снижения нагрузок на систему управления одновинтовым вертолётом и предполагает защемление лопасти в горизонтальном шарнире в зависимости от её азимутального положения. В качестве примера рассматривалась лопасть вертолёта Ми-8. Также с помощью программы СЧ исследовалась задача
расчёта собственных характеристик шарнирно подвешенной в горизонтальном шарнире лопасти вертолёта Ми-8, при её падении на ограничитель свеса. С помощью разработанной программы РНВ исследовалась задача расчёта лопасти на манёвренном режиме «горка». Результаты расчёта сопоставляются с результатами, полученными на основе квазистатического метода.
Результаты проведённых исследований показали, что разработанная методика применима как к анализу лопастей несущих винтов вертолётов, работающих на установившихся режимах, так и для расчётов лопастей, работающих в условиях переходных и манёвренных режимов.
Работа содержит список использованной литературы, включающий 53 наименования. Объём основного текста составляет 137 страниц. Результаты работы изложены в статьях , , , .
Похожие диссертационные работы по специальности «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов», 05.07.03 шифр ВАК
Расчет напряженно-деформированного, предельного состояния и демпфирующих характеристик элементов композитных конструкций несущей системы вертолета 2014 год, кандидат технических наук Горелов, Алексей Вячеславович
Динамические модели автожира и нормирование условий нагружения конструкции 2005 год, кандидат технических наук Калмыков, Алексей Александрович
Динамика и прочность авторотирующего несущего винта 2003 год, кандидат технических наук Полынцев, Олег Евгеньевич
Улучшение аэроупругих характеристик летательного аппарата с крылом большого удлинения 2008 год, кандидат технических наук Мазутский, Андрей Юрьевич
Методы расширения сферы применения сверхлегких и очень легких вертолетов 2013 год, доктор технических наук Дудник, Виталий Владимирович
Заключение диссертации по теме «Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов», Аверьянов, Игорь Олегович
В соответствии с поставленными целями и задачами в рамках диссертационной работы было выполнено следующее:
1. На основании уравнений деформаций лопасти разработана математическая модель несущей системы вертолёта, учитывающая одновременную работу всех лопастей несущего винта, с учётом деформаций лопасти в плоскостях тяги, вращения и кручения, и отражающая реальное поведение лопастей при установившихся и неустановившихся режимах полёта.
2. Разработан алгоритм расчёта параметров собственного движения лопасти, позволяющий решать задачи с различными граничными условиями, в том числе и с меняющимися в течение оборота несущего винта.
3. Проведены исследования специфических задач проектирования несущего винта вертолёта на определение параметров собственного движения лопасти, на примере конструкций несущей системы 8ЬЕ8 и случая падения лопасти на ограничитель свеса (описан в П-2 НГЛВ), которые показали, что достоверное решение подобных задач может быть получено только с применением метода прямого интегрирования уравнений деформаций лопасти. По результатам исследований можно заключить, что разработанный алгоритм расчёта параметров собственного движения лопасти позволяет получать достоверные результаты.
4. Разработан алгоритм расчёта напряжённо деформируемого состояния лопасти, работающей в условиях как установившихся, так и неустановившихся режимов полёта, позволяющий рассчитывать нагруженность и величины напряжений в лопасти в каждый момент времени.
5. Проведены исследования задач работы несущего винта вертолёта в условиях установившихся режимов на примере режимов «горизонтальный полёт» и «висение», которые показали соответствие результатов, полученных по разработанной методике, существующим решениям других авторов, а также существующим теориям и результатам экспериментов. По результатам исследований можно заключить, что разработанный алгоритм расчёта напряжённо деформируемого состояния лопасти позволяет получать достоверные результаты и повысить точность расчётов. 6. Проведено исследование задачи работы несущего винта вертолёта в условиях неустановившегося режима на примере манёвренного режима «горка», которое показало соответствие полученных результатов экспериментальным данным. Проведённое сопоставление с квазистатическим методом решения данной задачи показало, что квазистатический метод даёт занижение результатов при быстро меняющихся характеристиках режима полёта. Это позволяет заключить, что разработанная методика расчёта нагруженности и прочности лопастей несущих винтов позволяет существенно повысить точность расчётов.
Заключение
На основании проведённых исследований можно заключить о необходимости использования разработанной методики и алгоритма расчёта при проектировании несущих систем вертолёта, особенно при анализе манёвренных режимов полёта.
Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аверьянов, Игорь Олегович, 2012 год
Литература
1. Лисс А.Ю. Исследование работы несущего винта с учётом изгиба в двух плоскостях и кручения. Диссертация на соискание степени доктора технических наук, Казань, 1974.
2. Лисс А.Ю., Маргулис Г.У. Программа расчёта несущего винта с упругими лопастями на ЭВМ типа ЕС, Казань, 1979.
3. Миль М. Л., Некрасов A.B., Браверман A.C., Гродко Л.Н., Лейканд М.А., Вертолеты, кн.2, Москва, Машиностроение,1967г.
4. Миль М.Л., Некрасов A.B., Браверман A.C., Гродко Л.Н., Лейканд М.А., Вертолеты, кн. 1, Москва, Машиностроение, 1966г.
5. Миль М.Л. О динамическом закручивании лопасти ротора автожира в полёте, Техника воздушного флота №2, 1937
6. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы, Наука, Москва, 1977
7. Вахитов М.Б. Интегрирующие матрицы - аппарат численного решения дифференциальных уравнений. ИВУЗ, «Авиационная техника», т.З, 1966
8. Бате Н., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов, Стройиздат, М., 1982.
9. Акимов А.И., Аэродинамика и летные характеристики вертолетов, Москва, "Машиностроение", 1988г.
10. Вольмир A.C., Куранов Б.А., Турбаиевский А.Т. Статика и динамика сложных структур, Машиностроение, М., 1989.
11. Гудков А.И., Лешаков П.С., Райков Л.Г. Внешние нагрузки и прочность летательных аппаратов, Оборонгиз, М., 1963.
12. A.C. Браверман, А.П. Вайнтруб, Динамика вертолета, Москва, Машиностроение, 1988г.
13. Теория несущего винта, Под редакцией д-ра тех. наук А.К. Мартынова, Москва, Машиностроение, 1973г.
Рынков С.П. Nastran for Windows, НТ-пресс, 2004
Михеев P.A. Расчёт вертолётов на прочность. Часть 2. Прочность лопастей несущего винта, Москва, 1973
Пэйн П.Р. Динамика и аэродинамика вертолёта, Оборонгиз, Москва, 1963 Вильдгрубе J1.C. Аэродинамический расчёт вертолётов, Труды ЦАГИ, 1954
Баскин В.Э., Вильдгрубе JI.C., Нокдаев B.C., Майкапар Г.Н. под редакцией Мартынова А.К. Теория несущего винта, Машиностроение, 1973
Баскин В.Э. Теория несущего винта вертолёта с пространственной системой вихрей, Труды ЦАГИ, 1955
Баскин В.Э. О влиянии мгновенных индуктивных скоростей на аэродинамические нагрузки на лопасти винта в косом потоке, Труды ЦАГИ, 1960
Баскин В.Э., Щеглова В.М. О деформациях пелены вихрей в косом потоке, Труды ЦАГИ, 1968
Баскин В.З., Липатов В.Р., Нормальная сила сечения лопасти несущего винта при динамическом срыве, Труды ЦАГИ, вып. 1965г, Москва, 1977г. Брамвелл А.Р. Динамика вертолётов, Москва, Машиностроение, 1985 Ван Ши Цунь. Обобщённая вихревая теория несущего винта вертолёта, сборник «Вопросы аэродинамики несущих винтов», Труды МАИ, Оборонгиз, 1961
Тищенко М.Н. Программа расчёта несущего винта на основе лопастной вихревой теории на ЭЦВМ М-20, Москва, 1966
Некрасов А.В Расчёт форм и частот собственных колебаний лопастей воздушных винтов, Труды ЦАГИ №898, 1964
Некрасов A.B. Расчёт форм и частот собственных изгибно-крутильных колебаний лопасти вертолёта в пустоте, Труды ЦАГИ №898, 1964
28. Некрасов A.B. Расчёт изгибных напряжений в лопасти вертолёта на малых и средних скоростях, Труды МАИ, 1964
29. Некрасов A.B. Расчёт напряжений в лопасти воздушного винта вертолёта на больших скоростях полёта, Труды ЦАГИ №898, 1964
30. Некрасов A.B., Костромина В.М., Программа расчёта аэродинамичесикх характеристик несущего винта с шарнирно закреплёнными упругими лопастями на основе дисковой теории В.Э. Баскина и определение напряжений изгиба в плоскости тяги лопасти, отчёт предпр. п/я В2323, 1969
31. Риз П.М., Пожалостин А.И. Вибрации и динамическая прочность несущих винтов. Труды ЦАГИ, 1947
32. Справочник авиаконструктора, т.З, Прочность самолёта, ЦАГИ, 1939
33. Тимошенко С.П. Курс сопротивления материалов, М., Высшая школа, 1988
34. Технический отчёт №16-17-86, Результаты статических испытаний носовой лопасти цельнопластиковой лопасти несущего винта изд.286, М.: ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля», 1986
35. Пчелкин В.М., Павленко Н.С. Втулка несущего винта вертолёта, Патент № 1658538, Россия, 1991
36. Жуковский Н.Е. Вихревая теория гребного винта, Собрание сочинений, Т. IV, 1949
37. Юрьев Б.Н., Аэродинамический расчет вертолетов, Москва, Оборонгиз, 1956г.
38. И. А. Биргер Прочность. Устойчивость. Колебания, том 1, М, Машиностроение, 1968
39. И. А. Биргер Прочность. Устойчивость. Колебания, том 2, М, Машиностроение, 1968
40. И. А. Биргер Прочность. Устойчивость. Колебания, том 3, М, Машиностроение, 1968
41. Павленко Н.С. 400 км/ч - не предел, Вертолётная индустрия, АВИ, декабрь, 2007г.
42. В.А. Ивчин Программа расчёта аэродинамических и динамических характеристик вертолёта
43. В.А. Ивчин, О.Л. Черток, Соловьев H.A., Исследования махового движения лопастей несущего винта на пилотажном стенде при выполнении маневренных режимов, Труды 7ого Форума Российского вертолетного общества, Москва, 2006г.
44. Ивчин В.А., Исследование движения лопасти вокруг вертикального шарнира на переходных режимах работы несущего винта, Труды МВЗ №12, Москва, 1984г.
45. Ивчин В.А. Исследование нагрузок в системе управления вертолетом на неустановившихся режимах полета, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, МВЗ им. М.Л. Миля, 1987 г.
46. Майкапар Г.Н. Вихревая теория несущего винта. Сборник работ по теории воздушных винтов, ЦАГИ, 1958
47. Агамиров Л.В. Сопротивление материалов. Краткий курс для студентов ВУЗов, издательство «ACT», 2003
48. Аверьянов И.О., Агамиров Л.В., Ивчин В.А. Исследование конечно-разностной схемы для расчёта прочности несущих винтов летательных аппаратов для неустановившихся и маневренных режимов, Научно-техническая конференция «Гагаринские чтения», 2010
49. Аверьянов И.О., Ивчин В.А. Разработка метода расчёта деформаций упругой лопасти несущего винта вертолёта в плоскостях тяги, вращения и кручения, путём прямого интегрирования, Научный вестник МГТУ ГА №172,2011
50. Аверьянов И.О., Ивчин В.А. Исследование динамики собственного движения лопасти несущего винта вертолёта с применением метода прямого интегрирования, Научный вестник МГТУ ГА №172, 2011
51. Аверьянов И.О., Ивчин В.А. , Исследование нагрузок на упругой лопасти несущего винта при выполнении манёвра "Горка" методом прямого интегрирования, Научный вестник МГТУ ГА №177, 2011
52. Pavlenko N.S., A New Concept of the Main Rotor for a High-Speed Singlerotor Helicopter, Proceedings 33th European rotorcrafit forum, Kazan, Russia, 2007
53. Glauert H., A general theory of the autogiro, R & M No. 1111,1926
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Исходные данные
Спроектировать лопасть НВ из полимерных композиционных материалов прямоугольной формы в плане для среднего многоцелевого вертолета взлетной массой 2,5т, таблица 1.
Таблица 1.
|
Взлетнаямасса вертолета |
m взл |
2500 кг |
|
|
Окружнаяскорость НВ |
w r |
200 м/с |
|
|
Радиус НВ |
r НВ |
||
|
Максимальнаяскоростьполета |
V max |
270 км/ч |
|
|
Хордалопасти |
0,318 м |
||
|
Удлинение лопасти |
|||
|
X цт сечения |
0,0765 м |
||
|
Ширина лонжерона |
0,143438м |
||
|
Толщина профиля |
|||
|
Толщина c, м (12%) при r=0,5 - 1 |
0,03825 м |
||
|
Толщина c, м (15%) при r=0,4 |
0,0478 м |
||
|
Толщина c, м (17%) при r=0,3 |
0,0542 м |
||
|
Толщина c, м (19%) при r=0,2 |
0,0606 м |
Расчет лонжерона и комлевого стыка лопасти проводится для действияцентробежной силы создаваемой при вращении винта на значениях щr . Лопасть с целью выравнивания поля индуктивных скоростей по диску несущего винта и соответственно уменьшения индуктивных потерь НВ выполняют с круткой в пределах 7…10°. Аэродинамический профиль лопасти NACA 230. Расчет хвостового отсека с сотовым заполнителем проводится для значения распределенной аэродинамической нагрузки на характерном сечении лопасти r =0,7 при нормальном обтекании лопасти и максимальной скорости полета вертолета. Расчет клеевого соединения хвостового отсека с лонжероном лопасти проводится для значения аэродинамической нагрузки, действующей на месте соединения отсека с лонжероном и действующей на хвостовой отсек Кориолисовой силы для сечения лопасти r =0,7.
Принимаемые при проектировании лопасти НВ коэффициенты безопасности согласно НЛГВ-2:
Основной: f осн = 2,0 ;
Дополнительный для соединений: f доп.соед. = 1,15 ;
Дополнительный для ПКМ: f доп..ПКМ = 1,25 .
2. Техническое описание конструкции
Конструктивно лопасть включает в себя большое число элементов, к которым предъявляются различные требования по прочности, плотности, жесткости. К таким элементам можно отнести лонжерон, хвостовую часть лопасти (хвостовой отсек), противоабразивную защиту, противообледенительную систему, стыковочный узел с втулкой винта.
Лонжерон лопасти - это основной силовой элемент лопасти, воспринимающий значительную часть всех массовых и инерционных нагрузок, действующих на лопасть. Лонжерон является связующим звеном для всех элементов лопасти. Он подвержен воздействию разнообразных статических и переменных (циклических) силовых факторов: растягивающих и сжимающих усилий, изгибающего и крутящего моментов. Эти нагрузки действуют в различных плоскостях и с различными частотами и амплитудами. Лонжерон выполнен из стеклопластика СК-2561 на связующем 5-211Б. С целью обеспечение заданной центровки в передней части лонжерона установлен металлокомпозитный противовес.
Хвостовой отсек лопасти образует заднюю часть аэродинамической поверхности профиля. Выполнен в виде профилированной сотовой трехслойной панели и воспринимает часть силовой нагрузки (частично М изг и перерезывающую силу от аэродинамической нагрузки), передавая их на лонжерон.Наружные слои выполнены из стеклоткани Т-10 на связующем 5-211Б и служат для предохранения от смятия сот при изгибе хвостовой панели стабилизатора.В качестве сотового заполнителя применена полимерная каландрированная бумага ПСП-1 (3-ОСТ1 00851-77) с шестигранной формой ячейки (размер ячейки 2,5 мм).
Противоабразивная защита (ПАЗ) лопасти включает противоабразивные оковки из нержавеющей стали и абразивостойкое резиновое покрытие. Резина обладает высокой стойкостью к воздействию песчаной эрозии, однако ее стойкость к воздействию водяной эрозии недостаточна. Металлы уступают резине в стойкости к песчаной эрозии, но зато превосходят ее в стойкости к водяной эрозии.
Противообледенительная система электротепловаядля защиты лопасти от обледенения на лопасти установлена. Основным элементом такой системыявляетсянагреватель, обеспечивающий необходимую температуру на поверхности лопасти. Подача электрического тока для работы нагревателя осуществляется по проводам, расположенным в носке лопасти. С наружной и внутренней стороны нагреватель закрыт электроизоляционными слоями.
Стыковочный узел предназначен для крепления лопасти и передачи нагрузок с лопасти на втулку. Этот стык является разборным, т.е. эксплуатационным. На лопасти применен двухболтовой стыковочный узел свертикальным расположением болтов. Онобразован непосредственно из материала лонжерона с дополнительным усилением слоями кордонной ткани и титановой фольги. В комлевой части установлены стыковочные шайбы и втулки.
Вся поверхность лопасти, кроме деталей из нержавеющей стали и резины, покрыта лакокрасочным покрытием.
Противофлаттерный груз служит для отстройки от изгибно-крутильного флаттера лопасти в диапазоне эксплуатационных скоростей вертолета.
3. Требования к агрегату
Лопасть должна обеспечивать:
Высокое аэродинамическое совершенство,
Высокую статическую и усталостную прочность во всем диапазоне срока службы,
Высокий ресурс,
Высокую надежность.
Её конструкция должна обеспечивать отсутствие концентраторов напряжений, резких перепадов жесткости. Лопасти должны обладать стабильностью свойств во времени, защищены от повреждений в процессе эксплуатации, но в случае, если они всё же появились, позволять проводить их ремонт, т.е. быть ремонтопригодной. Они должны обладать "мягким" характером развития появившегося дефекта, исключающим лавинообразное развитие дефекта. Внешние атмосферные воздействия (дождь, град, солнечная радиация, морской воздух и т.д.) не должны влиять на работоспособность лопасти. Она должна обеспечивать удобство в проведении эксплуатационных мероприятий.
Агрегат должен быть спроектирован так, чтобы на всех разрешенных режимах полета имелся определенный запас до начала любого вида неустойчивой работы (флаттер, увеличенные колебания и вибрации из-за срыва потока с лопасти и т.д.). Деформации лопасти не должны увеличиваться настолько, чтобы приводить к ухудшению аэродинамики винта, балансировки и управляемости.
4. Определение внешних нагрузок на агрегат
1) Схема нагружения лонжерона лопасти НВ
В полете лонжерон лопасти испытывает растяжение, изгиб в 2-х плоскостях и кручение. Самой большой по величине нагрузкой на лопасть является центробежная сила ДR цб (рис.6.3). Центробежная сила вызывает деформации растяжения в лонжероне и как следствие этого в сечении действуют нормальные напряжения вдоль продольной оси лопасти. Поскольку скорость вращения несущего винта мало меняется во времени, центробежную силу считают величиной постоянной во времени и относят к виду статической нагрузки. Помимо центробежной силы на лонжерон НВ действуют переменные во времени циклические нагрузки с периодом колебаний кратным одному обороту НВ. В плоскости тяги действует аэродинамическая сила тяги ДT и вследствие угловых колебаний лопасти инерционная сила ДJ B . В плоскости вращения действуют сила сопротивления лопасти ДQ и инерционная кориолисовая сила ДJ k . Все эти силы переменные по длине лопасти и по времени.
Помимо сил на лонжерон относительно ее продольной оси действуют переменные моменты (рис.2). Один из этих моментов - шарнирный М ш. Второй - момент инерции Мин является следствием угловых колебаний лопасти относительно осевого шарнира втулки несущего винта. Действие этих моментов вызывает кручение лопасти НВ вертолета.
Рис.2 Возникновение шарнирного момента на лопасти.
лонжерон вертолет лопасть
2) Схема нагружения хвостового отсека лопасти.
Обшивка хвостового отсека лопасти воспринимает аэродинамическую нагрузку, действующую на профиль. Эта нагрузка вызывает появление в обшивке нормальных напряжений. Кроме того, в зависимости от конструкции крепления обшивки к лонжерону, в ней могут возникнуть дополнительные нормальные и касательные напряжения, которые также необходимо учесть при выборе толщины обшивки. Так как аэродинамическая нагрузка переменная по длине лопасти и по времени, то создаваемые ею перерезывающая сила Q и момент M стремятся изогнуть хвостовой отсек, вверх или вниз (рис.6.5).
При этом от момента в обшивке возникают нормальные напряжения, а от перерезывающей силы в обшивке и нервюре -касательные напряжения. Лонжерон лопасти, изгибаясь в плоскости вращения, стремится увести за собой отсек.
При этом в обшивке возникают дополнительные напряжения. При изгибе лонжерона внешним по радиусу концом вперед (по вращению) в средней по радиусу части отсека в площадках, перпендикулярных к хорде, и параллельных ей, возникают сжимающие нормальные напряжения, а по концам отсека - растягивающие. При изгибе лопасти в плоскости взмаха в обшивке также возникают напряжения.
5. Выбор конструктивно-силовой схемы лопасти НВ
Лонжерон и хвостовой отсек крепятся друг к другу при помощи клеевого соединения. Сосредоточенные силы воспринимают: узел крепления лопасти (реакции от центробежной и аэродинамических сил). Они затем передаются на рукав втулки НВ вертолета.
Лонжерон лопасти изготавливается в виде профилированной слоистой оболочки вращения с переменным по размаху сечением. При изгибе лонжерона слои испытывают попеременное растяжение-сжатие, поэтому возможна местная потеря устойчивости тонкой стенки лонжерона в опасном сечении, и за разрушающие принимаются критические напряжения потери устойчивости.
Хвостовой отсек лопасти проектируется в виде профилированной трехслойной панели с сотовым заполнителем. При изгибе отсека верхние и нижние слои испытывают растяжение-сжатие, поэтому возможна местная потеря устойчивости тонкой обшивки отсека в опасном сечении, и за разрушающие принимаются критические напряжения потери устойчивости.
Сечения элементов узла крепления лопасти подбирают по разрушающим напряжениям, причем запас прочности должен быть не менее единицы.
6. Выбор проектируемых параметров
В качестве проектируемых параметров следует принять:
а) Геометрические параметры сечения лопасти (Рис.3),(Таблица 2)
Таблица 2.
б) Массовые параметры элементов композитной лопасти (Таблица 3)
Таблица 3.
7. Случаи нагружения
1. Режим висения.
В этом случае производим статический расчёт лопасти и определяем напряжения,
действующие от центробежной силы.
Рассчитываем комлевую часть со стыковочными узлами на прочность.
2. Стоянка.
В этом случае определяем напряжения, действующие в лопасти на стоянке от сил собственного веса.
3. Режим горизонтального полёта с максимальной скоростью.
В этом случае рассчитываем на прочность клеевые стыки: лонжерон -сотовыйзаполнитель, лонжерон-обшивкахвостовойпанели.
Выбор параметров и расчет на прочность лопасти НВ.
Процесс проектирования лопастей НВ из ПКМ включает:
Выбор конструктивной схемы и материала лопасти;
Определение потребных сечений элементов лопасти по требованиям статической и усталостной прочности;
Корректировка массовых характеристик лопасти;
Отстройка лопасти от резонанса на рабочих частотах вращения;
Обеспечение запасов аэроупругой устойчивости лопасти;
Конструирование комлевых стыковочных узлов лопасти и расчет клеевых соединений лопасти.
1. Статический свес лопасти [у] на стоянке (конец лопасти не должен задевать за хвостовую балку) должен быть: [у] < 0,1 r, r -радиуслопастиНВ;
а) напряжения, действующие в лонжероне от центробежных сил, не должны превышать допустимые напряжения:
у R < [у R ] = 60 МПа ;
б) напряжения, действующие в лонжероне на стоянке от сил собственной массы лопасти, не должны превышать доп. напряжения:
уу< [ уу] = 70 МПа;
3. Необходимый запас по потере устойчивости типа флаттер: Хэф=0,24b;
4. Обеспечение ограничения по собственным частотам колебаний.
Для лопасти вертолета такое ограничение достаточно сложное из-за того, что скорость набегающего потока по длине лопасти переменна и таких резонансных частот будет довольно много в диапазоне эксплуатации вертолета.
Выбор материала
Исходя из условий работы несущего винта, в качестве главных при выборе
материала частей лопасти из ПКМ выдвигаются следующие требования:
Усталостная прочность, которая проявляется в трещиностойкости и слабой чувствительности к концентраторам напряжений;
Неизменность механических свойств материала деталей и их соединений от
времени и внешних условий эксплуатации;
Технологические и экономические требования.
Для лонжерона выбираемвысокопрочныйстеклопластикСК-2561 на основе кордной стеклоткани Т25-(ВМ) на связующем 5-211Б с
Прочностью при растяжении[s -- +--]=--1500МПа ,
Предельными напряжениями среза:[ф ср ] =48 МПа и
смятия:[ s см ] =100МПа,
модуль упругости материала E=55ГПа ,
коэффициент Пуассонаm 12=--0,26,
плотностьr -- =--2500кг /м 3,
может эксплуатироваться при температурах до1000С .
Дляобшивки хвостовогоотсекавыбираемстеклотканьТ-10 на связующем 5-211Б с
Прочностью при сжатии [s -- ---]=--230МПа
Имеет модуль упругости E =27ГПа ,
коэффициент Пуассонаm 12=--0,11.
Для сотового заполнителя применена полимерная каландрированная бумага ПСП-1 (3-ОСТ1 00851-77) с шестигранной формой ячейки размером 2,5 мм.
Модуль упругости E = 170МПа ,
Плотностьr -- =--42,1кг /м 3.
Для клеевого стыка сотового заполнителя хвостового отсека с лонжероном выбираем клей холодного отверждения ПУ-2 , клей обладает способностью вспениваться, увеличиваясь в объеме, при этом заполняет зазоры в пределах 0,1 - 3 мм.
При толщине клеевого шваd к =--0,35мм
Имеет прочность насдвиг[t -- ]сдвига =--18МПа ,
Модуль сдвига G =--42МПа .
Для приклейки обшивки хвостового отсека к лонжерону возьмём клей горячего отверждения ВК-9 . Используется для склеивания сталей, алюминиевых и титановых сплавов между собой и с неметаллическими материалами. Для радиотехнических изделий, клеерезьбовых соединений. Представляет собой вязко-текучую серую массу. Интервал рабочих температур от минус 196° до 125°С.
Прочность на сдвиг
Модуль сдвига
Дляболтов выбираемсталь45Г .Основнымпреимуществомданнойсталиявляетсяпрокаливаемостьнабольшиетолщины.
Прочность на срез составляет[ф ср ] =370МПа.
8. Статический расчет лопасти
Спроектированная лопасть должна удовлетворять следующим требованиям:
1. Обеспечение статического свеса на стоянке (конец ло-пасти не должен задевать за хвостовую балку): .
2. Обеспечение требований статической прочности:
а) напряжения, действующие в лонжероне от центробежных сил, не должны превышать допустимые напряжения: .
б) напряжения, действующие в лонжероне на стоянке от сил собственной массы лопасти, не должны превышать допусти-мые напряжения: .
3. Необходимый запас по потере устойчивости типа флаттер: .
Режим висения.
Определение напряжений, действующих в сечении лопасти от центробежной силы
Для расчета лопасти используем модель, предложенную А.В. Некрасовым - метод конечных элементов. Недеформированная лопасть разби-вается на 9 равных участков сечениями, перпендикулярными к ее оси. Радиус каждого сечения, длинна всех участков одинаковая и равна.Масса лопасти сосредоточивается в 8- ми точках, которые связаны между собой упругими элементами, имеющими постоян-ную жесткость в пределах каждого участка разбиения.
В каждом сечении лопасти действуют внутренние силовые факторы: изгибающий момент М i , нормальная N i и перерезывающая Q i силы.
Для заданного типа лонжерона по координатам профиля лопасти в программе строятся характерные теоретические сечения, которые упрощенно представляют состоящими из следующих конструктивных элементов: лонжерона, сотового блока, обшивки ХО, противофлаттерного груза. Для каждого теоретического сечения по чертежу определяются следующие параметры:
P лонж ,м -периметрлонжеронапосреднейлинии;
F лонж , м 2 -площадь сечения лонжерона;
д лонж. , м-толщиналонжерона;
X ц.т. лонж. , Y ц.т. лонж . , м -координатыцентратяжестилонжерона;
F обш. , м 2 - площадь обшивки ХО;
X ц.т. Обш . , м -координатацентра тяжести обшивки;
F сот , м 2 -площадьсотовогоблока;
X ц.т. сот , м - координата центра тяжести сотового блока;
X ц.т. груз , м - координата центра тяжести противофлаттерного груза.
Вычисляется масса каждого элемента для i -того теоретического сечения:
где с , кг/м 3 -плотностьматериаласоответствующегоэлемента, задаетсявсправочныхданных;
----------------D R=R i+1 -R i , м-расстояниемеждуi -м и i +1 -м сечениями.
Расчет напряжений, действующих в сечении лопасти от центробежной силы, сведем в таблицу №.4.
Вывод: Максимальное напряжение на лонжероне у N =59,7МПа, следовательноу N =59,7Мпа<[у N ]=60МПа. Требование по статической прочности выполняется.
9. Расчет на прочность узла стыковки лопасти и втулки
Узел стыковки лопасти и втулки представляет собой элемент соединения типа «ухо - вилка», а расчет узла на прочность сводится к расчету на прочность стыковочных отверстий в комлевой части лонжерона лопасти. Внешним силовым фактором при расчете считается центробежная сила лопасти.
Для данной разновидности соединения «ухо - вилка» лопасть представляется соединением «ухо» и характерным считаются виды разрушения, критическими параметрами в которых выступают:
диаметр стыковочных болтов;
площадь сечения лонжерона в плоскости осей стыковочных отверстий;
физико-механические характеристики материалов соединения.
Исходные данные для расчёта:
«коэффициент безопасности» для всех расчетных случаев f = 2;
предел прочности при растяжении: стеклопластик фольгированный: [ в ] = 2,810 8 Па;
предельные напряжения среза болта (сталь 45Г): [ в ] б = 3,7 10 8 Па;
предельные напряжения среза стеклопластика (Т-25(ВМ)-78):
[ в ] стеклопл. = 1,4 10 8 Па;
предельные напряжения смятия стеклопластика (Т-25(ВМ)-78):
[ см ] стеклопл. = 4,4 10 8 Па;
внешний силовой фактор: центробежная сила лопасти N цб 56806,31Н;
допустимое напряжение смятия пакета: пак =0,8 10 7 Па;
количество плоскостей среза болтов: n ср =4
число отверстий в панели: n отв =4
Параметры стыка комлевой части лопасти выбираем исходя из центробежной силы, действующей на лопасть.
Прочности стыковочных болтов на срез.
Определяем диаметр болта крепления лопасти ко втулке:
Условием прочности стыковочных болтов на срез (рис.4,а) определяется их достаточный диаметр и, следовательно, диаметр стыковочных отверстий. Это условие определяется как
расч f [ в ],
где расч -расчетная величина напряжений «на срез»; f -«коэффициент безопасности»; [ в ] -предельная величина напряжений «насрез» для материала болта.
Так как болт вставляется во втулку то прибавляем ещё размер втулки:
d=12,22+6=18,22 мм
d болта =20 мм
запас прочности:
n=[ в ]/ расч f 1
[ расч ]= МПа;
2. Определяем толщину пакета фольгированного стыка
первого приближения в панели лонжерона из условий на смятие
Толщина пакета панели.
3. Определяем толщину фольги.
Коэффициент 0,2 это 20% фольги в пакете, при таком проценте получаются оптимальные параметры стыка.
4. Определяем толщину корда.
Где - число слоёв фольги.
Индекс «м» указывает, что величина относится к монослою. Для фольги из титанового сплава ОТ-4 а - для ткани Т-25(ВМ)-78.
5. Определяем толщину лонжерона.
6. Определяем толщину клея.
7. Определяем толщину пакета фольгированного стыка
второго приближения в панели лонжерона.
13,809 мм
8. Определяем.Проводим анализ:
а) Если =0 - переходят к определению геометрии лопасти.
б) Если >0 - добавляют число слоёв кордной ткани.
в) Если <0 - переходят к определению геометрии лопасти, используя в качестве толщины пакета значение.
<0 - переходим к определению геометрии лопасти, используя в качестве толщины пакета значение
Переходим к определению запасов прочности, используя в качестве толщины пакета значение.
Прочность комлевой части лопасти на отрыв (рис. 4, б):
Зависит, главным образом, от площади сечения лонжерона в плоскости осей стыковочных отверстий. Условие прочности в данном случае: расч f [ в ], где расч -расчетная величина напряжений при эксплуатационном случае; f -коэффициент безопасности; [ в ] раст -предельная величина напряжений для материала. А величина действующих напряжений рассчитывается по формуле:
расч = N цб / F .
Площадь сечения лонжерона F сеч, необходимая для использования этих формул определяется по формуле:
где F вн.кнт, F плст, F отв -соответственно площади внешнего контура лонжерона, полости и суммарная площадь сечений отверстий в лонжероне.
Представляя площади в виде функций геометрических параметров сечения лонжерона, получим формулу в развернутом виде:
где b л, c л - соответственно ширина и высота лонжерона в рассматриваемом сечении; c , п -толщины «стенки» и «полки» лонжерона; n отв, d -количество и диаметр отверстий под стыковочные элементы в лонжероне соответственно.
F сеч = 0,02541 м 2
расч =34,165 МПа;
запас прочности
n = [ в ] раст / расч =4,1
Прочности на вырыв перемычки
При определении прочности на вырыв перемычки (рис. 4, в) пользуются условием выраженным формулой
где f -«коэффициент безопасности»; n пс -суммарное количество плоскостей среза; п -толщина «стенки» лонжерона в сечении; b -ширина перемычки, [ в ] -предельные напряжения среза для материала лонжерона.
запас прочности
n=[ в ]/ расч f = 1,41
Прочность узла по условию смятия поверхностей контактирующих деталей (рис. 2, г) определяется условием:
|
см расч = f N цб / n п см п d [ см ], |
где f -«коэффициент безопасности»; n п см -суммарное количество поверхностей смятия; п -высота поверхности смятия; d -диаметр контактирующих поверхностей; [ см ] -предельные напряжения смятия для материала контактирующих деталей.
см. расч. = 155,025 МПа
запас прочности
n = [ см ]/ расч =1,42
Вывод: условия прочности узла стыковки лопасти и втулки выполняется.
Стоянка
Определение напряжений, действующих в лопасти на с тоянке от сил собственного веса
Напряжения, действующие в лопасти на стоянке от сил соб-ственного веса, вычисляются по формуле:
где M i , Н. м - изгибающий момент, действующий в i -м сечении ло-пасти от сил собственного веса. В принятой модели:
где - длина i -го участка,
W x - момент сопротивления изгибу:
,
где I x -моментинерцииi - го сечения относительно оси главной центральной оси х .
Прогиб лопасти от собственного веса на стоянке вычисляет-ся интегрированием дифференциального уравнения упругой линии балки:
EI -жесткость лопасти.
В принятой модели прогиб в i -м сечении вычисляется по формуле:
где ц i , рад - углы поворота текущего сечения, определяются из выра-жения:
Расчет напряжений, действующих в лопасти на стоянке от сил собственного веса, сведем в таблицу№.5.
Вывод: Напряжения, действующие в лонжероне на стоянке от сил собственной массы лопасти, не превышают доп. напряжения:
уу = 39,9 МПа< [ уу] = 70 МПа
Максимальный прогиб лопасти от собственного свеса составляет 0,292 м, что значительно меньше 0,1r = 0,51м. Условия статической прочности соблюдаются.
10. Режим горизонтального полёта с максимальной скоростью
|
Исходные данные для расчета |
||||||
Определение расчетной распределенной нагрузки
Определение нагрузки ведется для характерного сечения лопасти (Рис.5).
Где f =2 -коэффициент безопасности,
S отс . =b L отс. - площадь отсека
S отс . =b L отс = 1143210 мм 2
с=1,226 кг/м 3 -плотность воздуха,
V-скорость обтекания на характерном сечении лопасти.
V пол =70м/с - Скорость полета вертолёта,
R 07 =0,7L-радиус характерного сечения лопасти
L = 5,1м -длиналопасти,
щ-скорость вращения винта.
Распределение нагрузки по хорде считается для нормального обтекания:
Из подобия треугольников находим:
При таком распределении нагрузки получаем:
17134,169Н
Момент от аэродинамической нагрузки:
Максимальный момент от сил собственного веса лопасти по таблице:
M вес = 347,852 H ·м
M вес
Расчетную распределенную нагрузку определяем по аэродинамической нагрузке и принимаем следующую:
Расчет хвостового отсека
Прочность по нормальным напряжениям в обшивках
1. В первом приближении выбирается толщина обшивки.
2. Определяются напряжения в обшивках, возникающие при действии расчетной нагрузки N:
3. Определяются критические напряжения общей потери устойчивости конструкции:
= 110,815 МПа
L-Длина хвостового отсека лопасти. D- Жесткость сотовой конструкции на изгиб. m t -коэффициент опирания конструкции.
= 0,314Н·м
5589743,59 Н/м
h-Высота заполнителя. µ - коэффициент Пуассона материала обшивки.
k- Параметр сдвига.
G xz -Модуль сдвига в направлении наибольшей жесткости.
r- Размер грани шестигранной ячейки, д c -толщинагранизаполнителя, G m -модульсдвигаматериалазаполнителя.
4459М п а
µ - здеськоэффициентПуассонадляматериалазаполнителя.
4. Сравниваются значения нормальных напряжений в конструкции возникающих от расчетной нагрузки N, и критических напряжений общей потери устойчивости . Должно выполняться условие:
Если условие не выполняется -то обшивка теряет устойчивость. Необходимо увеличить толщину обшивки, уменьшить размер грани ячейки, увеличить толщину грани ячейки.
Прочность по напряжениям сдвига в заполнителе
5. Определяются усилия сдвига в заполнителе.
0,0151Н/м
6. Определяются напряжения сдвига в заполнителе.
М п а
7. Определяются напряжения местной потери устойчивости заполнителя.
8. Сравниваются значения напряжений сдвига и критических напряжений сдвига в заполнителе. Должно выполняться условие:
Если условие не выполняется, то необходимо увеличить толщину грани ячейки и уменьшить размер грани ячейки.
По касательным напряжениям в обшивках
9. Определяются касательные напряжения в обшивках.
123,99МПа
123299Н/м
m с - коэффициент зависящий от параметра сдвига k (Рис.6.)
10. Определяются критические напряжения местной потери устойчивости обшивки от касательной нагрузки.
871.82 М п а
11. Проверяется выполнение условия:
Если условие не выполняется, то следует увеличить толщину обшивки.
Вывод: Прочность хвостового отсека соблюдается.
Расчёт клеевого соединения хвостового отсека с лонжероном
|
Исходныеданые для расчетов |
|||
|
с сот |
|||
|
с обш. |
|||
|
E сотоб л ока |
|||
Расчет клеевого соединения обшивки хвостовой панели с лонжероном
По величинам напряжений от аэродинамических нагрузок и напряжений от деформаций лонжерона в плоскости вращения можно найти касательные напряжения, возникающие в клеевом слое, служащем для приклейки отсека к лонжерону. Расчет клеевого соединения начинается с расчета нагрузок, приходящих на хвостовой отсек в расчетном сечении 1-1,см. рис.7.
При соединении лонжерона с хвостовым отсеком имеем 2 вида клеевого соединения: 1) В нахлестку-при соединении обшивки хвостового отсека с лонжероном (зона А); 2) Встык-при соединении сотоблокас лонжероном (зона В).
Расчет клеевого соединения обшивки хвостового отсека с лонжероном
Расчет клеевого соединения обшивки хвостового отсека с лонжероном производится в следующей последовательности:
1. Определяем изгибающий момент в расчетном сечении 1-1:
Кориолиса сила:
Выбор типа клея
Выбираем клей горячего отверждения ВК-9 , используется для склеивания сталей, алюминиевых и титановых сплавов между собой и с неметаллическими материалами. Для радиотехнических изделий, клеерезьбовых соединений. Представляет собой вязко-текучую серую массу. Интервал рабочих температур от минус 196° до 125°С.
Определение площади клеевого соединения
Из условия сдвига:
F -площадь склейки, м 2
Допускаемые напряжения в клеевом шве, [Мпа]
Коэффициент концентрации напряжений в клеевом шве.
Средние напряжения в клеевом шве.
Расчетная схема нахлёсточного клеевого соединения (Рис.8.):
Определение средних напряжений в клеевом шве:
(лонжерон стеклопластикСК-2561);
(обшивка хвостовой панели Т-10);
(толщина обшивки хвостовой панели);
(толщина клеевой прослойки ВК-9);
(модуль сдвига клеевой прослойки ВК-9)
Потребная площадь склейки:
Потребная длина нахлеста:
Принимаем из технологических соображений с учетом запаса на усталостное разрушение
B = 14 мм
Проверка прочности клеевого соединения:
Расчет клеевого соединения сотоблока со стенкой лонжерона
Среднее усилие в клеевом стыке:
Выбор типа клея
Выбираем клей холодного отверждения ПУ-2 . Клей обладает способностью вспениваться, увеличиваясь в объеме, при этом заполняет зазорыв пределах 0,1 - 3 мм. Выбираем клей холодного отверждения ПУ-2из за невозможности осуществления нагрева в зоне стыка, клей обладает способностью вспениваться увеличиваясь в объеме при этом заполняет зазоры в пределах 0,1 -3 мм.
[ф] сдвига = 18 МПа
Определение площади клеевого соединения:
м 2
Определение коэффициента концентрации напряжений в клеевом шве:
0,358 Мпа
(лонжерон стеклопластик СК-2561);
(бумага БФСК);
(толщина стенки лонжерона в зоне А);
(толщина бумаги);
(толщина клеевой прослойки ПУ-2);
(модуль сдвига клеевой прослойки ПУ-2)
М п а
Проверка прочности клеевого соединения
Вывод: Условие прочности клеевых соединений выполняется.
Анализ расчетов. Общие выводы
Из расчетов были получены следующие запасы прочности? для спроектированной лопасти, представленные в таблице 4.
Таблица 4
|
Запасы прочности для хвостового отсека |
||
|
По нормальным напряжениям в обшивках |
||
|
По напряжениям сдвига в заполнителе |
||
|
По касательным напряжениям в обшивках |
||
|
Запасы прочности для клеевого соединения |
||
|
Для соединения обшивки с лонжероном |
||
|
Для соединения лонжерона с заполнителем |
||
|
Запас прочности для лонжерона лопасти |
||
|
От действия центробежной силы |
||
|
Запасы прочности для комлевого узла крепления лопасти |
||
|
По срезу болта |
||
|
По отрыву комлевой части лопасти |
||
|
На вырыв перемычки |
||
|
По условию смятия поверхностей контактирующих деталей |
Общий вывод: прочность элементов лопасти из ПКМ, ее соединений и узла крепления соблюдается. Согласно таблице 4масса лопасти составляет 19,3 кг, что значительно ниже массы аналогичных металлических лопастей несущего винта.
С писок использованной литературы
Башаров Е.А., Дудченко А.А. -Расчет КонструкцийизПКМ. Учебное Пособие. М.МАИ - 2014
Башаров Е.А. -Конструирование Агрегатов Вертолетов-Методическое Пособие-М.МАИ - 2016
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Описание конструкции самолета АН-148, его узлы. Прочностной расчет конструкции панели сопла гондолы двигателя, схема его нагружения. Технологический процесс приготовления связующего ЭДТ-69Н. Экономический эффект от внедрения композиционных материалов.
дипломная работа , добавлен 13.05.2012
Разработка варианта конструкции фюзеляжа самолета легкого типа из полимерных композиционных материалов и обоснование принятых решений расчетами. Технологический процесс изготовления конструкции. Анализ дефектов тонкостенных деталей трубопроводов.
дипломная работа , добавлен 11.02.2015
Выбор схемы установки, способа ориентации и расчётных параметров лопасти. Определение коэффициентов идеальной и расчётной мощности. Расчет размерных параметров ветроколеса. Определение нагрузок, действующих на лопасть, ее веса, центробежных сил инерции.
курсовая работа , добавлен 01.12.2014
Разработка принципов и технологий лазерной обработки полимерных композиционных материалов. Исследование образца лазерной установки на основе волоконного лазера для отработки технологий лазерной резки материалов. Состав оборудования, подбор излучателя.
курсовая работа , добавлен 12.10.2013
Производство изделий из композиционных материалов. Подготовительные технологические процессы. Расчет количества армирующего материала. Выбор, подготовка к работе технологической оснастки. Формообразование и расчет штучного времени, формование конструкции.
курсовая работа , добавлен 26.10.2016
Нормирование нагрузок на крыло. Проектирование полок и стенки лонжерона. Расчет геометрических параметров сечения лонжерона. Проектирование узла крепления подкоса к лонжерону. Технологический процесс формообразования и контроль качества конструкции.
дипломная работа , добавлен 27.04.2012
Выявление наиболее приемлемого материала и способа заделки лопасти ветротурбины карусельного типа из условия жесткости. Анализ перемещений в балках при изгибе. Расчет основных силовых факторов, возникающих в балке, в зависимости от типов закреплений.
дипломная работа , добавлен 04.12.2013
Подготовительные технологические процессы для производства изделий из композиционных материалов. Схема раскроя препрегов. Расчет количества армирующего материала и связующего, необходимого для его пропитки. Формообразования и расчет штучного времени.
курсовая работа , добавлен 15.02.2012
Расчет заклепок, соединяющих пояс и стенку лонжерона, нижней и верхней проушины, стойки и опасного сечения D-D вилки. Определение суммарной силы, действующей на болт. Нахождение координаты центра масс. Связь стыка с поясом и стенкой бортовой нервюры.
контрольная работа , добавлен 15.12.2013
Технология производства лонжерона крыла самолета РСМ-25 "Robust" из композиционных материалов с подкосом. Определение нагрузок, действующих на крыло, обеспечение прочности и устойчивости конструкции; силовое взаимодействие, требования к стыковым узлам.
Лопасти несущего винта вертолета надо построить так, чтобы они, создавая необходимую подъемную силу, выдерживали все возникающие на них нагрузки. И не просто выдерживали, а имели бы еще запас прочности на всякие непредвиденные случаи, которые могут встретиться в полете и при техническом обслуживании вертолета на земле (например, резкий порыв ветра, восходящий поток воздуха, резкий маневр, обледенение лопастей, неумелая раскрутка винта после запуска двигателя и т. д.).
Одним из расчетных режимов для подбора несущего винта вертолета является режим вертикального набора на любой избранной для расчета высоте. На этом режиме из-за отсутствия поступательной скорости в плоскости вращения винта потребная мощность имеет большую величину.
Зная приблизительно вес конструируемого вертолета и задаваясь величиной полезной нагрузки, которую должен будет поднимать вертолет, приступают к подбору винта. Подбор винта сводится к тому, чтобы выбрать такой диаметр винта и такое число его оборотов в минуту, при которых бы расчетный груз мог быть поднят винтом отвесно вверх с наименьшей затратой мощности.
При этом известно, что тяга несущего винта пропорциональна четвертой степени его диаметра и только второй степени числа оборотов, т. е. тяга, развиваемая несущим винтом, более зависит от диаметра, чем от числа оборотов. Поэтому заданную тягу легче получить увеличением диаметра, чем увеличением числа оборотов. Так, например, увеличив диаметр в 2 раза, получим тягу в 24 = 16 раз большую, а увеличив число оборотов в два раза, получим тягу только в 22 = 4 раза большую.
Зная мощность двигателя, который будет установлен на вертолете для приведения во вращение несущего винта, сначала подбирают диаметр несущего винта. Для этого применяют следующее соотношение:
Лопасть несущего винта работает в очень тяжелых условиях. На нее действуют аэродинамические силы, которые ее изгибают, скручивают, разрывают, стремятся оторвать от нее обшивку. Чтобы «противостоять» такому действию аэродинамических сил, лопасть должна быть достаточно прочной.
При полетах в дождь, в снег или в облаках при условиях, способствующих обледенению, работа лопасти еще более усложняется. Капли дождя, попадая на лопасть с огромным» скоростями, сбивают с нее краску. При обледенении па лопастях образуются ледяные наросты, которые искажают ее профиль, мешают ее маховому движению, утяжеляют ее. При хранении вертолета на земле на лопасть разрушающе действуют резкие изменения температуры, влажность, солнечные лучи.
Значит, лопасть должна быть не только прочной, но она еще должна быть невосприимчивой к влиянию внешней среды. Но если бы только это! Тогда лопасть можно было бы сделать цельнометаллической, покрыв ее противо-коррозийным слоем, и задача была бы решена.
Но есть еще одно требование: лопасть, кроме этого, должна быть еще и легкой. Поэтому ее изготовляют полой За основу конструкции лопасти берут металлический лонжерон, чаще всего - стальную трубу переменного сечения, площадь которого постепенно или ступенчато уменьшается от корневой части к концу лопасти.
Лонжерон, как главный продольный силовой элемент лопасти, воспринимает перерезывающие силы и изгибающий момент. В этом отношении работа лонжерона лопасти схожа с работой лонжерона самолетного крыла. Однако на лонжерон лопасти действуют в результате вращения винта еще центробежные силы, чего нет у лонжерона крыла самолета. Под действием этих сил лонжерон лопасти подвергается растяжению.
К лонжерону привариваются или приклепываются стальные фланцы для крепления поперечного силового набора - нервюр лопасти. Каждая нервюра, которая может быть металлической или деревянной, состоит из стенок и полок. К металлическим полкам приклеивается или приваривается металлическая обшивка, а к деревянным полкам приклеивается фанерная или пришивается полотняная обшивка или к носку приклеивается фанерная обшивка, а к хвостику пришивается полотняная, как показано. В носовой части профиля полки нервюр крепятся к переднему стрингеру, а в хвостовой части - к заднему стрингеру. Стрингеры служат вспомогательными продольными силовыми элементами.
Обшивка, покрывающая полки нервюр, образует собой профиль лопасти в любом ее сечении. Наиболее легкой является полотняная обшивка. Однако во избежание искажения профиля в результате прогиба полотняной обшивки на участках между нервюрами, нервюры лопасти приходится ставить очень часто, примерно через 5-6 см одна от другой, что утяжеляет лопасть. Поверхность лопасти с плохо натянутой полотняной обшивкой выглядит ребристой и обладает низкими аэродинамическими качествами, так как ее лобовое сопротивление велико. В процессе одного оборота профиль такой лопасти меняется, что способствует появлению дополнительной вибрации вертолета. Поэтому полотняная обшивка пропитывается аэролаком, который по мере своего высыхания сильно натягивает полотно.
При изготовлении обшивки из фанеры жесткость лопасти увеличивается и расстояние между нервюрами может быть увеличено в 2,5 раза по сравнению с лопастями, обтянутыми полотном. Для того чтобы уменьшить сопротивление, поверхность фанеры гладко обрабатывается и полируется.
Хороших аэродинамических форм и большой прочности можно добиться, если изготовить полую цельнометаллическую лопасть. Трудность ее производства состоит в изготовлении переменного по сечению лонжерона, который образует носовую часть профиля. Хвостовая часть профиля лопасти изготовляется из листовой металлической обшивки, которую передними кромками заподлицо приваривают к лонжерону, а задние кромки склепывают между собой.
Профиль лопасти винта вертолета выбирается с таким расчетом, чтобы при увеличении угла атаки срыв обтекания возникал на возможно больших углах атаки. Это необходимо для того, чтобы избежать срыва обтекания на отступающей лопасти, где углы атаки особенно велики. Кроме того, во избежание вибраций профиль надо подобрать такой, у которого бы при изменении угла атаки не менялось положение центра давления.
Очень важным фактором для прочности и работы лопасти является взаимное расположение центра давления и центра тяжести профиля. Дело в том, что при совместном действии изгиба и кручения, лопасть подвержена самовозбуждающейся вибрации, т. е. вибрации со все возрастающей амплитудой (флаттеру). Во избежание вибрации лопасть должна балансироваться относительно хорды, т. е. должно быть обеспечено такое положение центра тяжести на хорде, которое исключало бы самовозрастание вибрации. Задача балансировки сводится к тому, чтобы у построенной лопасти центр тяжести профиля находился впереди центра давления.
Продолжая рассматривать тяжелые условия работы лопасти несущего винта, необходимо отметить, что повреждение деревянной обшивки лопасти каплями дождя может быть предотвращено, если вдоль ее передней кромки укрепить листовую металлическую окантовку.
Борьба же с обледенением лопастей представляет собой более сложную задачу. Если такие виды обледенения в полете, как иней и изморозь, большой опасности для вертолета не представляют, то стекловидный лед, постепенно и незаметно, но чрезвычайно прочно наращивающийся на лопасти, приводит к утяжелению лопасти, искажению ее профиля и, в конечном счете, к уменьшению подъемной силы, что приводит к резкой потере управляемости и устойчивости вертолета.
Существовавшая одно время теория о том, что лед вследствие машущего движения лопастей будет в полете скалываться, оказалась несостоятельной. Обледенение лопасти начинается раньше всего у корневой части, где изгиб лопасти при ее машущем движении невелик. В дальнейшем слой льда начинает распространяться все дальше к концу лопасти, постепенно сходя на нет. Известны случаи, когда толщина льда у корневой части достигала 6 мм, а у конца лопасти - 2 мм.
Предотвратить обледенение возможно двумя путями.
Первый путь - это тщательное изучение прогноза погоды в районе полетов, обход встретившихся по пути облаков и изменение высоты полета с целью выхода из воны обледенения, прекращение полета и т. д.
Второй путь - это оборудование лопастей противо-обледенительными устройствами.
Известен целый рад этих устройств для лопастей вертолета. Для удаления льда с лопастей несущего винта может
быть применен спиртовой противообледенитель, который разбрызгивает на передней кромке винта спирт. Последний, смешиваясь с водой, понижает температуру ее замерзания и препятствует образованию льда.
Скалывание льда с лопастей винта может быть осуществлено воздухом, который нагнетается в резиновую камеру, проложенную вдоль передней кромки несущего винта. Раздувающаяся камера надкалывает ледяную корку, отдельные куски которой затем сметаются с лопастей винта встречным потоком воздуха.
Если передняя кромка лопасти винта сделана из металла, то ее можно подогревать или электричеством, или теплым воздухом, пропускаемым через трубопровод, проложенный вдоль передней кромки несущего винта.
Будущее покажет, какой из этих способов найдет себе более широкое применение.
Для аэродинамических характеристик несущего винта большое значение имеют число лопастей несущего винта, и удельная нагрузка на ометаемую винтом площадь. Теоретически число лопастей винта может быть любым, от одной бесконечно большого их числа, настолько большого, что они в конечном счете сливаются в спиральную поверхность, как это предполагалось в проекте Леонардо да Винчи или в вертолете-велосипеде И. Быкова.
Однако есть какое-то наиболее выгодное число лопастей. Число лопастей не должно быть меньше трех, так как при двух лопастях возникают большие неуравновешенные силы и колебания тяги винта. Показано изменение тяги несущего винта около его среднего значения в течение одного оборота винта у однолопастного и двухлопастного винтов. Трехлопастной винт уже практически сохраняет среднее значение тяги в течение всего оборота.
Число лопастей винта не должно быть также очень большим, так как в этом случае каждая лопасть работает в потоке, возмущенном предыдущей лопастью, что снижает коэффициент полезного действия несущего винта.
Чем больше лопастей винта, тем большую часть площади ометаемого диска они занимают. В теорию несущего винта вертолета введено понятие коэффициента заполнения о, который подсчитывается как отношение суммарной площади
Для расчетного режима работы несущего винта вертолета (отвесный подъем) наивыгоднейшей величиной коэффициента заполнения является величина 0,05-0,08 (среднее значение 0,065).
Эта нагрузка является средней. Малой нагрузкой называют нагрузку в пределах 9-12 кг/м2. Вертолеты, имеющие такую нагрузку, маневренны и обладают большой крейсерской скоростью.
Вертолеты общего назначения имеют среднюю нагрузку в пределах от 12 до 20 кг/м2. И, наконец, большой нагрузкой, редко применяемой, является нагрузка от 20 до 30 кг/м2.
Дело в том, что хотя высокая удельная нагрузка на ометаемую площадь и обеспечивает большую полезную нагрузку вертолета, но при отказе двигателя такой вертолет на режиме самовращения будет снижаться быстро, что недопустимо, так как в этом случае нарушается безопасность снижения.
В статье рассмотрен один из вопросов рационального проектирования композитных лопастей несущего винта вертолета. Обычно расположение и соотношение размеров отверстий для болтов узла крепления в комле лонжерона лопасти несущего винта выбираются исходя из конструктивных и технологических соображений. При этом, разумеется, учитываются требования прочности и усталостного ресурса. Однако, как правило, отдается предпочтение наиболее простому с технологической точки зрения решению. Между тем особенностями напряженного состояния именно в этой области в значительной мере определяются прочностные и усталостные свойства лопасти в целом. Это подтверждается как результатами стендовых испытаний, так и опытом эксплуатации изделий в полетных условиях. Здесь для определения оптимальных размеров и расположения отверстий узла крепления комлевой части лопасти несущего винта выполнена серия конечно-элементных расчетов. В конечно-элементной модели учитывается нелинейный характер контактного взаимодействия между болтами узла крепления и композитного материала лопасти несущего винта. Для оценки уровня напряженно-деформированного состояния многослойного композитного материала используется критерий Хилла. При этом возникла необходимость в предварительной оценке пределов прочности для многослойного пакета произвольного состава по известным характеристиками монослоев. Для построения расчетной модели разработан алгоритм построения диаграмм деформирования многослойного композитного материала. Данные диаграммы использованы для определения жесткостных характеристик многослойного пакета и предельных погонных усилий для данного пакета. Выполнены расчеты по оценке напряженного состояния композитного материала в области узлов крепления при заданных условиях нагружения. Рассмотрены 45 вариантов расположения отверстий и соотношения их размеров. На основании результатов расчетов сделан вывод о том, что актуальный вариант конструктивного решения не является оптимальным.
