РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ КИЛЯ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ БЛИЖНЕМАГИСТРАЛЬНОГО САМОЛЁТА

DEVELOPMENT OF A KEEL DESIGN MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS OF A SHORT-HAUL AIRCRAFT

Zay Yar Lin

Student, Department Of Rocket And Space Composite Structures, Moscow State Technical University. N.E. Bauman,

Russia, Moscow

Myo Thet Zin

Student, Department Of Rocket And Space Composite Structures, Moscow State Technical University. N.E. Bauman,

Russia, Moscow

Baranovsky Sergey Vladislavovich

Scientific adviser, Candidate of Technical Sciences, Moscow State Technical University. N.E. Bauman,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Представлена классификация композиционных материалов и методы, используемые при разработке конструкции киля для ближнемагистральных самолетов. Даётся определение вертикального стабилизатора и горизонтального стабилизатора. Описан способ достижения легкого веса для структурной оптимизации из полимерных композиционных. Подчёркнута важность двух больших преимущества композитных материалов. Перечисляются методы, которые используются при разработке конструкции вертикального стабилизатора. Показано значение состояния килевой конструкций в статическом модуле программного комплекса ANSYS. Даётся сравнение целесообразности между традиционными металлическими композитными композитов в полученной структуре.

ABSTRACT

The classification of composite materials and methods used in the development of the keel design for short-haul aircraft are presented. The definition of a vertical stabilizer and a horizontal stabilizer is given. A method for achieving light weight for structural optimization from polymer composite materials is described. The importance of two major advantages of composite materials is emphasized. The methods that are used in the design of the vertical stabilizer are listed. The value of the state of the keel structure in the static module of the ANSYS software package is shown. A comparison of the expediency between traditional metal composite composites in the resulting structure is given.

Ключевые слова: (универсальная программная система конечно-элементного анализа), Композитные материалы, Ближнемагистральный самолет, Стабилизатор.

Keywords: ANSYS – Analysis system, Composite materials, Short-haul aircraft, Stabilizer.

Киль – это часть хвоста самолета, расположенная в нормальной плоскости самолета (которая обычно совпадает с его плоскостью симметрии) или наклонной плоскости в случае V-образного хвоста. Киль предназначен для обеспечения устойчивости самолета в угле скольжения. Руль направления обычно крепится к задней кромке киля на шарнирах.

Стабилизирующие поверхности самолета состоят из вертикальных и горизонтальных профилей. Они называются вертикальным стабилизатором (или плавником) и горизонтальным стабилизатором. Эти два профиля, наряду с рулем направления и рулями высоты, образуют хвостовую часть. Для целей осмотра и технического обслуживания вся хвостовая часть рассматривается как единое целое, называемое хвостовым оперением. Основное назначение стабилизаторов – удерживать самолет в прямолинейном полете. Вертикальный стабилизатор поддерживает устойчивость самолета вокруг его вертикальной оси. Это называется курсовой устойчивостью. Вертикальный стабилизатор обычно служит основанием, к которому крепится руль. Горизонтальный стабилизатор обеспечивает устойчивость самолета относительно его боковой оси.

Это называется продольной устойчивостью. Горизонтальный стабилизатор обычно служит основанием, к которому крепятся рули высоты. На многих новых высокоэффективных самолетах весь вертикальный и/или горизонтальный стабилизатор представляет собой подвижный профиль. Без подвижного профиля поверхности управления полетом потеряли бы свою эффективность на чрезвычайно больших высотах. Конструкция стабилизатора аналогична конструкции крыла. Для большей прочности, особенно в более тонких сечениях профиля, характерных для задних кромок, используется конструкция сотового типа. Структурная оптимизация – это еще один эффективный способ достижения легкого веса, например, использование композитных материалов при уменьшении применения других материалов и повышении конструктивных характеристик, таких, как более высокая прочность и жесткость, а также улучшении вибрационных характеристик. Обычные методы структурной оптимизации – это размер и форма.

Развитие передовых производственных технологий, таких, как аддитивное производство, применение композиционных материалов и передовая обработка металлов давлением, не только позволяет применять передовые материалы, но и ослабляет ограничения, повышая гибкость многомасштабной структурной оптимизации.

Два больших преимущества композитных материалов – простота конструкции и гладкие аэродинамические поверхности. Оба эти свойства делают композитные материалы выгодными для опытных строителей. В конце концов, никому не выгодно нанимать бригаду сварщиков и задействовать большое количество рабочих на одноразовой конструкции, которая может и не сработать. Проще и экономичнее использовать композиты при экспериментах с инновационными новыми конструкциями.

Ближнемагистральные рейсы действительно составляют 85 процентов от общего числа рейсов. В данной работе мы можем ознакомиться с классификациями композиционных материалов, а также с ближнемагистральными самолетами (Ил-114 Россия) и методами, используемыми при разработке конструкции вертикального стабилизатора для ближнемагистральных самолетов.

Целью работы является снижение массы вертикального стабилизатора ближнемагистрального самолета (Ил-114 Россия) с использованием полимерных композиционных материалов за счет полуэмпирического метода, метода граничных элементов, метода конечных элементов.

В современном мире полуэмпирический метод может стать перспективным методом проектирования, на основе результатов которого возможно создание принципиально новых конструкций летательных аппаратов с высокими весовыми характеристиками. При использовании полуэмпирической оптимизации в качестве метода проектирования для снижения веса килевой конструкции ближнемагистрального летательного аппарата будет использовано приложение для полимерных материалов в программном комплексе ANSYS.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поскольку основной целью работы является снижение массы киля конструкции, эта цель достигается применением композиционного материала с использованием методологии оптимизации полуэмпирического проектирования, реализованной в программном комплексе ANSYS.

С помощью аналитических подходов будут определены нагрузки, действующие на килевую конструкцию, с последующим их применением в задачах моделирования и оптимизации.

Напряженно-деформированное состояние килевой конструкции будет моделироваться в Статическом структурном модуле программного комплекса ANSYS, а по результатам моделирования будет построена геометрическая модель килевой конструкции ближнемагистрального летательного аппарата. Также на основе анализа результатов моделирования будет проведено сравнение целесообразности замены традиционных металлических материалов композитными в полученной структуре.

Список литературы:

1. Киль_(авиация). [электронный ресурс] – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Киль_(авиация). (дата обращения: 04.02.21). Хализев О.А., Царев Б.А. Теория решения кораблестроительных задач. Учебное пособие. Санкт-Петербург, Изд. СПбГМТУ, 2000.
2. AIRCRAFT_BASIC_CONSTRUCTION. [электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.academia.edu/35832492/CHAPTER_4_AIRCRAFT_BASIC_CONSTRUCTION.-P 8 (дата обращения: 15.03.21)
3. Lightweighting in Aerospace Component and System Design. [электронный ресурс]–Режим доступа: https://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/pub/features/articles/33914 Lightweighting in Aerospace Component and System Design. (дата обращения: 04.02.21).