Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных д

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время перспективы прогресса в машиностроении во многом связаны с разработкой и внедрением композиционных материалов. Композици­ онные материалы (КМ) обладают комплексом свойств и особенностей, отли­ чающихся от традиционных конструкционных материалов, и открывают широ­ кие возможности для совершенствования существующих и разрабатываемых конструкций разнообразного назначения. Применение композиционных мате­ риалов во многом способствовало созданию новых образцов ракетной техники. Современные крупногабаритные маршевые ракетные двигатели более чем на 90% состоят из композиционных материалов различного типа [23, 34].

Быстро расширяется использование композитов в авиационной технике. В первую очередь новые материалы находят применение в самолетах военного на­ значения, обеспечивая снижение массы и увеличение тактико-технических ха­ рактеристик, несмотря на некоторое удорожание изделия.

Совершенствование технологии изготовления новых деталей и узлов из композиционных материалов, внедрение автоматизированных процессов для се­ рийного производства позволяют обычно снизить стоимость новых изделий до приемлемого уровня. Более того, в ряде случаев именно благодаря композитам удается снизить быстро возрастающую стоимость проектируемых военных лета­ тельных аппаратов. Так же^как и в ракетной технике, массовая доля КМ в конст­ рукционных деталях имеет тенденцию к возрастанию, и летательный аппарат будущего, по-видимому, будет наполовину состоять из композитов.

Опыт внедрения композитов в военной авиации послужил основой для использования КМ при проектировании и создании новых гражданских самоле­ тов. Первоначально авиастроительными фирмами США были проведены иссле­ дования поведения КМ в малонагруженных конструкциях самолета. Положи­ тельные результаты этих исследований позволили рекомендовать композиты и для создания ответственных узлов. Выпускаемые новые серии самолетов фирмы "Боинг" имеют углепластиковые рули высоты и направления, элероны, воздуш­ ные щитки, обтекатели и т.д. [34]. Основной движущей силой для внедрения композитов служат экономия энергии и снижение массы.

На основе проведенной в США исследовательской программы разработки бесшумного газотурбинного двигателя была выявлена важность использования деталей из КМ и в авиационных двигательных установках. Можно сказать с дос­ таточной степенью уверенности, что в двигателях будущего большинство не­ подвижных деталей будет выполнено из композиционных материалов. В каче­ стве уже разработанных и испытанных деталей двигателя одной из ведущих американских фирм можно назвать лопатки компрессоров и турбин, раздели­ тельные перегородки и перфорированные оболочки воздуховодов [34]. В на­ стоящее время производится отработка композитных элементов каркаса и обши­ вок двигателя, воздуховодов форсажной камеры и створок сопла. Фирмой "Мартин-Мариетта" успешно разработан и испытан реверсор тяги со струеотра­ жательными заслонками на основе гибридной композиции из углеволокна "Кевлар" и стекловолокна.

Кроме того, следует заметить, что, варьируя схемой укладки и типами компози­ ционных материалов, можно получить практически неограниченное количество различных конструктивных вариантов фланцев даже при постоянном внешнем контуре детали. Таким образом, появляется и проблема оптимального проекти­ рования рассматриваемых узлов, включающая поиск и выбор наиболее подхо­ дящих типов композиционных материалов и характер их расположения в конст­ рукции. Данная задача хотя и затрагивается в настоящей работе, но полностью не решена. Однако разработанные методики и соответствующий программньш комплекс для расчета НДС, прогнозирования прочности и ресурса фланцев по­ зволяют проводить оперативный расчет различных конструктивных схем дан­ ных узлов и осуществлять выбор наиболее рационального варианта с точки зре­ ния удовлетворения комплексу предъявляемых требований, т.е. вплотную по­ дойти к решению проблемы оптимального проектирования композитных флан­ цевых узлов крепления.

Исследования, результаты которых включены в данную монографию, вы­ полнены при поддержке гранта Минобразования РФ по фундаментальным про­ блемам в области авиационной и ракетно-космической техники за 1997-1998 гг.

В заключение нам бы хотелось поблагодарить В.Е.Шавшукова за творче­ ское общение и дискуссию по проблемам исследования, а также А.М.Грицевича за помощь в проведении расчетов и оформлении книги.

1. КОМПОЗИТНЫЕ КОРПУСНЫЕ ДЕТАЛИ ОБШИВКИ АВИАДВИГАТЕЛЯ

1.1. Виды композитных корпусных деталей авиадвигателя ПС-90А

Тонкостенные малонагруженные корпусные детали авиадвигателя явля­ ются наиболее перспективными с точки зрения использования полимерных ком­ позиционных материалов. Легкий доступ, возможность периодического визу­ ального контроля, диагностики и замены в случае необходимости обеспечивают их безопасную отработку при эксплуатации двигательной установки. В компо­ зитном исполнении корпусные детали обладают массой на 20-25% меньше, чем металлические аналоги.

В настояшее время в серийном производстве находятся следующие узлы двигателя ПС-90А, показанные на рис. 1.1: кожух сопла со звукопоглощающим контуром У, обтекатель сопла 2 и задний обтекатель реверсивного устройства 3,

обеспечивающие снижение массы двигателя на 21 'кг. На этапе внедрения и опытной отработки находятся: диафрагма 4, корпус подвесок 5, силовой корпус

б, корпус створок 7, внешний обтекатель реверсивного устройства #, панель со звукопоглощающим контуром 9, кожух внутренний УУ, обтекатель У2, кожух УЗ, корпус 14, обеспечивающие дополнительное снижение массы двигателя на 39 кг.

На стадии проектирования находятся: корпус вентилятора У5, лопатка спрям­ ляющая Уб, решетка реверсивного устройства У7, силовая панель 18, с плани­

руемым выигрышем по массе до 63 кг.

Таким образом, суммарное снижение массы двигателя ПС-90А при ис­ пользовании композитных деталей составляет порядка 123 кг. Это приводит к увеличению коммерческой нагрузки для среднемагистральных самолетов типа ТУ-204, оснащенных двумя двигателями ПС-90А на 246 кг, а для дальнемагист­ ральных самолетов типа ИЛ-96-300 с четырьмя двигателями — на 492 кг. Оче­ видное преимущество композитов привело к тому, что в настоящее время при создании нового двигателя ПС-90А12 уже на этапе проектирования закладыва­ ются требования выполнения ряда корпусных деталей из композиционных мате­ риалов.

Формование композитных корпусных деталей осуществляется методом ручной укладки на оправку различным образом ориентированных слоев стекло- и карбопрепрегов. Большинство деталей выполняются полностью из компози­ тов, хотя в некоторых конструктивных решениях предусматривается использо­ вание металлических фланцев, которые могут быть впоследствии заменены на фланцы из композиционных материалов по мере отработки последних.

В общем случае на корпусные детали авиадвигателя действует сложная система сосредоточенных и распределенных нагрузок, основными из которых являются: внутреннее давление, растягивающая нагрузка от газовых сил и рав­ нодействующая инерционных сил, приложенная в центре масс конструкции. Кроме того, отдельные детали могут быть подвержены избыточному наружному давлению, воздействию набегающего наружного потока, а также сжимающим

усилиям, возникающим при сборке конструкции обшивки авиадвигателя.

6

Наиболее нагруженными элементами деталей при этом являются фланце­ вые узлы крепления, которые в рассматриваемых конструктивных вариантах выполнены из тех же материалов, что и сами детали и составляют с ними одно целое. Согласно требованиям технического задания фланцы должны обеспечи­ вать надежное крепление в диапазоне температур от -60°С до + 100°С при дейст­

вии инерционных сил с перегрузкой 5,33g "и вибрационных нагрузок с частотой от 5 до 200 Гц , амплитудой виброускорения до 3,5g , а также обладать ресурсом

работы 25 000 часов за период 10 лет.

Методики расчета композитных фланцев, представленные в настоящей работе, иллюстрируются на примере трех корпусных деталей: силового корпуса реверсивного устройства (рис. 1.2,а), корпуса наружной задней подвески со зву­

копоглощающим контуром (ЗПК) (рис. 1.2,6) и кожуха сопла со звукопогло­ щающим контуром (рис. 1.2,в), являющихся частью обтекателя соплового отдела

обшивки авиадвигателя.

1.2. Технология изготовления композитных корпусных деталей

Технологический процесс изготовления композитных корпусных деталей можно условно разбить на 3 части, содержащие соответственно начальные, ос­ новные и заключительные операции. Начальные операции являются стандарт­ ными, они входят в техпроцесс изготовления любого изделия из композицион­ ных материалов, к ним относятся:

контрольные операции — входной контроль материалов и комплектую­

щих;

подготовительные операции — в данном случае пропитка препрегов, рас­ крой и т.п.;

монтаж оправки.

В качестве комплектующих при изготовлении композитных корпусных деталей используют готовые конструктивные элементы — панели, накладки и сектора, выполненные также из композитов. Общий вид комплектующих пока­ зан на рис. 1.3. Конструкция оправки и оснастки, используемая при изготовлении кожуха обшивки авиадвигателя, показана на рис. 1.4.

Вторая часть техпроцесса изготовления композитных корпусных деталей также не является уникальной, но, в отличие от первой, имеет свои специфиче­ ские черты для каждой конкретной детали. Эту часть можно разбить на следую­ щие группы операций:

подготовительные;

формовочные;

доводочные.

Рис. 1.2. Типичные корпусные детали обшивки авиадвигателя:

а — силовой корпус , б — кожух со звукопоглощающим контуром , в — корпус наружной задней

подвески со звукопоглощающим контуром