ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИИ СИЛОВОЙ НЕРВЮРЫ САМОЛЕТА

​АННОТАЦИЯ

В данной научной статье исследуется возможность использования композитных материалов в конструкции силовой нервюры самолета Ан-140. Исследование позволяет сделать вывод о превосходстве композитных материалов над другими материалами.

Также здесь представлены результаты расчетов использования композитных материалов, проведенных на нервюре самолета Ан-140. Описана методика испытаний и обсуждена полученные результаты, которые подтверждают эффективность внедрения композитного материала в данную конструкцию.

Ключевые слова: авиастроение; Ан-140; нагрузки; композиты; силовая нервюра; метод конечных элементов; ABAQUS; моделирование.

ВВЕДЕНИЕ

Композитные материалы в последние годы стали всё более популярными в различных сферах, где авиастроительная отрасль не исключение. Композитные конструкции открывают новые перспективы оптимизации конструкции, благодаря своей прочности, низкой массе и структуре [1]. Путем внедрения композитных деталей вместо стальных, алюминиевых и деталей из других материалов в структуру устаревших самолетов, композиты позволят увеличить операционную эффективность и надежность, уменьшить массу конструкции самолета, что в свою очередь приводит к снижению эксплуатационных расходов и увеличению срока службы самолетов [2]. Такие инновации позволят российской авиационной промышленности сохранить конкурентоспособность и повысить ее привлекательность, что будет показано здесь на примере турбовинтового регионального грузопассажирского самолёта Ан-140 [3].

Основной задачей данной работы является уменьшение веса силовой нервюры за счет внедрения композитных материалов на основе крыла самолета Ан-140, где силовая нервюра – это основной элемент конструкции крыла, отвечающей за передачу и распределение механических нагрузок [4]. В процессе решения задачи будет разработана модель силовой нервюры, просчитаны прочностные характеристики [5]. Целью данной работы является доказательство уменьшения веса конструкции и сохранения прочностных характеристик за счет внедрения композитных материалов [6].

1. Выбор силового элемента

В данной работы был выбран пассажирский самолет Ан-140 для проектирования и инженерного анализа силовой нервюры крыла. На рисунке 1 представлен теоретический контур левой консоли крыла самолета Ан-140.

Рисунок 1. Теоретический контур левой консоли крыла самолета Ан-140

На рисунке 2 представлен теоретический контур расположения нервюр, стрингеров, лонжеронов. Данный самолет содержит следующие силовые нервюры: № 4, 6, 8, 9, 10, 13, 18, 21, 26 и 27. Они установлены в местах крепления механизмов навески закрылков, кронштейнов навески двигателей, кронштейнов навески элерона. Для проектирования была выбрана силовая нервюра №10, установленная в месте крепления кронштейна левого двигателя ТВД ТВ3-117ВМА-СБМ1. На рисунке 3 силовые нервюры выделены темным цветом, силовая нервюра №10 показана синим цветом.

Рисунок 2. Теоретический контур расположения нервюр, стрингеров, лонжеронов крыла самолета Ан-140

Рисунок 3. Расположение силовых нервюр крыла самолета Aн-140

2. Выбор материала

Для проведения исследования были выбраны традиционный и композиционный материалы. Первый материал, из которого изготавливаются нервюры крыла самолета Ан-140 – алюминиевый сплав 1163АТ.  Современный среднепрочный сплав типа дуралюмин, является базовым материалом для критических по усталости в условиях растягивающих нагрузок зон. Листы из сплава марки 1163АТ с нормальной плакировкой, в закаленном и естественно состаренном состоянии имеют повышенные характеристики усталостной долговечности и трещиностойкости [7].

В качестве второго материала был выбран композиционный материал - углепластик на основе углеродного волокна и эпоксидного связующего. Углепластик отвечает основным требованиям, предъявляемым к материалам для авиационных конструкций, таким как жесткость, усталостная долговечность и коррозионная стойкость. Особенностью углепластика является его соотношение прочности к массе: высокие показатели прочности и модуля упругости при растяжении сочетаются с низкой плотностью [8]. Рассматриваемый композиционный материал состоит из трех слоев, толщиной в 1 мм и соответствует характеристикам, представленным ниже.

Механические характеристики данных материалов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Механические характеристики материалов

3. Проектирование

Проектирование проводилось в САПР Siemens NX. Конструкция силовой нервюры №10 из алюминиевого сплава состоит из нескольких частей и представлена на рисунке 4 (а, б).

Рисунок 4. Конструкция силовой нервюры №10 из алюминиевого сплава: a) 1 – тавровый профиль, 2 – стенка нервюры, 3 – уголковый профиль крепления, 4 – уголки жесткости; б) 5 – продольный тавровый профиль

Профиля и уголки крепятся к стенке заклепками. Расположение заклепок показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Силовая нервюра №10 с заклепками

Конструкция силовой нервюры №10 из композиционного материала является сплошной моделью. Она представлена на рисунке 6.

Для изготовления данной конструкции используется препрег с эпоксидным связующим и однонаправленным углеродным наполнителем. Силовая нервюра отвердевает при помощи вакуумного формования совместно за один цикл и изготавливается без вторичных операций, как сборка, склеивание.

Рисунок 6. Конструкция силовой нервюры №10 из композиционного материала

4. Анализ

Инженерные расчеты были произведены методом конечных элементов в программе ABAQUS.

4.1 Импорт геометрии

Перед импортированием модели для проведения расчетов, твердотельные модели нервюры из алюминиевого сплава и углепластика были преобразованы в поверхностные модели. Сложные формы в конструкции из алюминиевого сплава, такие как тавровые профиля были заменены на уголки, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Упрощенная поверхностная модель нервюры из алюминиевого сплава

На рисунке 8 представлена поверхностная модель из углепластика.

Рисунок 8. Поверхностная модель нервюры из алюминиевого сплава

Модели были сохранены в формате Parasolid и импортированы в ABAQUS.

4.2 Граничные условия

В данном исследовании были рассмотрены следующие нагрузки, действующие на силовую нервюру, крыла №10: распределенная воздушная нагрузка, нагрузки от двигательной установки, нагрузки от лонжерона. Они показаны разноцветными стрелками на рисунке 9.

Рисунок 9. Нагрузки, действующие на силовую нервюру: красная (1) – распределенная воздушная нагрузка, желтая (2) и фиолетовая (3) – нагрузки от двигательной установки, зеленая (4) – нагрузка от лонжерона

Для проведения расчетов нагрузки были сгруппированы и рассмотрены в 2 случая.

Первый расчетный случай

В первом расчетном случае была выбрана нагрузка воздушного потока, прикладываемая к верхнему поясу нервюры и нагрузка от двигателя, действующая на нижний пояс. На картинке 10 показаны точки приложения сил (RP-1, RP-2) и направления сил.

Рисунок 10. Нагрузки, приложенные к нервюре, крыла для первого расчетного случая

Сила воздушного поток указана в точке RP-1 и действует по всей поверхности силой 10000Н, сила от двигателя прикладывается на точке RP-2 и раскладывается на горизонтальную – 30000Н и вертикальную – 30000Н. Применяемыми граничными условиями являются фиксированные поступательные движения на всех перемещениях по бокам, сверху ограничено поступательное движение по Z и вращательное относительно X.

Второй расчетный случай

Во втором расчетном случае были рассмотрены оставшиеся нагрузки: нагрузка от двигателя, действующая на левый профиль крепления нервюры, и нагрузки от лонжерона, действующие на боковые профили крепления (Рисунок 11).

Рисунок 11. Граничные условия и нагрузки, приложенные к нервюре крыла для второго расчетного случая

В точке RP-3 действует сила от лонжерона 10000Н. В точке RP-4 прикладывается сила от двигателя – горизонтальная – 10000Н и вертикальная с учетом силы лонжерона - 20000Н. Применяемыми граничными условиями являются фиксированные поступательные и вращательные движения на всех перемещениях сверху и по бокам ограничено поступательное движение по Z и вращательное по X.

5 Результаты

5.1 Анализ напряжений на усиленной нервюре крыла №10 из алюминиевого сплава 1163АТ

Получены напряжения для двух расчетных случаев усиленной нервюры крыла №10 из алюминиевого сплава, масса которых равна 2.18 кг. Предел текучести не менее 420 МПа.

Максимальное полученное напряжение в первом расчетном случае составляет 381.23 МПа для алюминиевого сплава 1163АТ. График напряжений показан на рисунке 12.

Рисунок 12. График напряжений нервюры крыла из алюминиевого сплава 1163АТ в первом расчетном случае

По причине того, что в теоретической конструкции возникают концентрация напряжения в заделках, в отличие от реальной, был проведен расчет с убранными стойками. Максимальное полученное напряжение составляет 166.14 МПа. График напряжений показан на рисунке 13.

Максимальное полученное напряжение во втором расчетном случае составляет 400.89 МПа. График напряжений показан на рисунке 14.

Рисунок 13. График напряжений нервюры крыла из алюминиевого сплава 1163АТ в первом расчетном случае без стоек

Рисунок 14. График напряжений нервюры крыла из алюминиевого сплава 1163АТ во втором расчетном случае

5.2 Анализ деформаций и напряжений на усиленной нервюре крыла №10 из углепластика

Для силовой нервюры № 10 из углепластика, масса которой 2.69 кг, были проведены деформационные расчеты на растяжение и сжатие, для выявления прочности конструкции. Допустимая деформация составляет 0.55. Также расчет напряжений для сравнения результатов с нервюрой из алюминиевого сплава.

В первом случае максимальное растяжение и сжатие составило 2.808e^-03 – 0.28. Максимальное полученное напряжение 348.48 МПа. Концентрации напряжений расположены в области отверстий. Графики растяжения, сжатия и напряжений представлены на рисунке 15.

а)

б)

в)

Рисунок 15. Графики первого расчетного случая силовой нервюры крыла №10 из углепластика: а) растяжения, б) сжатия, в) напряжений

Во втором расчетном случае максимальное растяжение составило 4.227е^-03 – 0.42, а сжатие -5.013е^-03 – 0.5. Максимальное полученное напряжение 548.28 МПа. Графики растяжения, сжатия и напряжений представлены на рисунке 16.

а)

б)

в)

Рисунок 16. Графики второго расчетного случая силовой нервюры крыла №10 из углепластика: а) растяжения, б) сжатия, в) напряжений

Допустимая деформация составляет 0.55.

5.3 Сравнение результатов

На основе полученных данных был проведен анализ напряжения материалов, представленный в таблице 2, который показал, что использование углепластика при различных нагрузках является допустимым. В исследовании были представлены результаты для двух различных материалов: алюминия и композита.

Также был проведен расчет углепластика на предмет деформации, для чего были выполнены деформационные расчеты на растяжение и сжатие с целью выявления прочности конструкции (Таблица 3).

Таблица 2.

Максимальное напряжение материалов

Таблица 3.

Деформационные расчеты

Было проведено численное моделирование различных конструкции силовой нервюры для оценки механических характеристик в таблице 1.

Использование композитных материалов в конструкции силовых нервюр данного самолета может привести к значительному снижению веса примерно на 17 кг на одной консоли крыла (Таблица 4).

Таблица 4.

Массы силовых нервюр

Полученные результаты показывают, что использование композитных материалов в конструкции является целесообразным решением для улучшения прочностных характеристик.

ВЫВОДЫ

В результате можно сделать вывод, что применение композитных нервюр позволяет снизить вес конструкций силовых нервюр на обеих консолях крыла на 34 кг, что имеет прямое влияние на увеличение грузоподъемности и улучшение топливной эффективности. Особенно важно учесть результаты расчетов по деформации и напряжению материалов, которые доказывают, что возможность использования другого материала в конструкции самолета является доступной.  Это является преимуществом с точки зрения экономической эффективности, так как в будущем можно будет снизить себестоимость воздушного судна, не жертвуя при этом качеством. Требуемая задача была выполнена.

Будущее исследование

В дальнейшем необходимо провести более подробное исследование по внедрению композитных материалов в силовые нервюры самолета, что в свою очередь обещает быть очень перспективным. Также замена материала вызовет оптимизацию конструкций силовых нервюр, которая может быть проведена в ходе предстоящих исследований.

Список литературы:

1. Ковалев. С.Б., Зубарев. В.А., Кузнецов. В.Д., и др. "Современные технологии изготовления и использования композиционных материалов в аэрокосмической промышленности". Москва: Энергия, – 2019.
2. Петров Д. В. "Использование композитных материалов в авиации", журнал "Авиационные материалы и технологии", – 2015.
3. Иванов Л. А., Смирнов К. И. "Современные технологии использования композитных материалов в авиационной технике", - Журнал "Авиационная промышленность", – 2017.
4. Громов А. С., Никитин С. П. "Применение композитных материалов в конструкции силовых нервюр самолетов", журнал "Материаловедение в авиационной технике", – 2019.
5. Кузнецов В. А. "Исследование прочностных характеристик композитных материалов для использования в авиации", журнал "Материаловедение и технологии обработки материалов", – 2018.
6. Kannan.T., Mr. Veeranjaneyulu. "Structural modeling and analysis of composite wing rib using finite element method", – 2015.
7. Климов В.Н., Козлов Д.М. "Современные авиационные конструкционные сплавы": учеб. пособие – Самара: Изд-во Самарского университета, – 2017. – 40 с.
8. Гуляев И. Н., Павловский К. А. "Высокомодульные углепластики для изделий гражданской авиационной техники" (обзор). Труды ВИАМ, – 2023. – № 3 (121).