Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВПО ЮУрГУ (НИУ)
Политехнический институт
Аэрокосмический факультет
Кафедра «Летательных Аппаратов»
СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Динамика конструкции» на тему
Расчет динамических характеристик лонжерона вертолета
Руководитель
Овчинников А.М.
____________________ «___»____________2017 г. Автор работы
студент группы П-424
Иванов С.В.
____________________
« » 2017 г.
Работа защищена с оценкой
____________________ « » 2017 г.
Челябинск, 2017
Аннотация
Иванов С.В. семестровая работа по дисциплине «Динамика конструкций» – Челябинск: ЮУрГУ, 2017 – 19 с., 24 илл., 2 наименования литературы.
В работе проведен модальный анализ лонжерона лопасти вертолета, выяснены формы и собственные частоты колебаний лонжерона, определен критический коэффициент демпфирования. Проведен расчет динамического отклика конструкции при критическом нагружении (набор высоты, уход вертолета в пике и выход из пике), определены возникающие при этом напряжения в лонжероне лопасти, прогиб и перемещение его геометрии, вычислен коэффициент запаса лонжерона по пределу текучести.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение. 2
Описание конструкции. 2
Описание эксплуатационного воздействия.. 3
Формирование расчетной конечно-элементной модели 3
Расчет собственных частот колебания конструкции.. 4
Расчет динамического отклика конструкции. 8
Расчет динамического отклика конструкции с изменением угловой скорости по времени. 12
Заключение.. 16
Список использованной литературы... 17
Введение
Описание конструкции
Для выполнения данной работы был выбран лонжерон лопасти вертолета Bell-429.
Лопасть вертолета имеет следующие геометрические характеристики:
D = 13800 мм – диаметр несущего винта вертолета;
l = 6000 мм – длина лопасти;
b = 370 мм – хорда лопасти;
bлонж = 109 мм – хорда лонжерона лопасти.
Рисунок 1. Лонжерон лопасти.
Рисунок 2. Лонжерон лопасти в трехмерном виде.
Описание эксплуатационного воздействия
В качестве расчетного случая для изучения динамического отклика была
выбрана фигура пилотажа «пике», выполняемая на вертолете. Как исходные данные, используются графики изменения от времени перегрузки, действующей на лонжерон лопасти, и угловой скорости вращения лопасти, а также описание процесса выполнения фигуры пилотажа. График изменения перегрузки показан на рисунке 3. Сначала винт раскручивается из состояния покоя до своей обычной
крейсерской скорости вращения. Затем, при уходе в первую часть пике, скорость вращения увеличивается, чтобы создать большую подъемную силу, которой хватило бы для того, чтобы начать набор высоты. После прохождения критической точки пике скорость вращения винта плавно возвращается в крейсерский режим. После выхода из фигуры пилотажа, вертолет продолжает движение вперед на крейсерской скорости.
Описание расчетной схемы: Лонжерон лопасти вертолета представлен для расчета в виде консольно закрепленной балки (рис. 3).
Рисунок 3. Расчетная схема.
Для расчета динамического отклика принято, что консольно закрепленный край лонжерона соединен с осью вращения абсолютно жесткой связью 1. Стрелка g(t) указывает направление воздействующей на лонжерон перегрузки, зависящей от времени . Стрелка ω(t) указывает направление угловой скорости вращения несущего винта вертолета, зависящей от времени.
Формирование расчетной конечно-элементной модели
Процесс состоит из следующих этапов:
1) для модального анализа в Ansys Mechanical APDL были использованы восьмиузловые элементы shell 8node281 (один элемент соответствует одной вершине шестигранного элемента);
2) были использованы следующие свойства материала лонжерона лопасти вертолета: алюминиевый сплав АМг6.
Механические свойства сплава АМг6:
|
Е, [МПа] |
, [МПа] |
, [МПа] |
, [МПа] |
μ |
ρ [кг/м3] |
|
71000 |
400 |
300 |
145 |
0,3 |
2640 |
3) закрепление было выполнено в Ansys Mechanical APDL как All DOF на комлевом торце;
4) для расчета динамического отклика конструкции построенная в Ansys Mechanical APDL сетка (узлы Nodes и элементы Elements) была экспортирована во внешние файлы;
5) Лонжерон имеет переменную толщину(12мм; 8,5мм; 5мм) (рис. 4).
Рисунок 4. Распределение толщины стенок лонжерона.
Расчет собственных частот колебания конструкции
Расчет был проведен в Ansys Mechanical APDL. Для этого был выбран тип анализа Modal, диапазон анализа – от 0 до 200 Гц. В этом диапазоне были определены первые 10 форм колебаний и соответствующие этим формам частоты. Лонжерон был разбит прямоугольной сеткой на элементы в форме параллелепипедов (рис. 5).
Рисунок 5. Конечно-элементная модель лонжерона
Лонжерон был закреплен по комлевому (изображенному на рис. 6) торцу от всех перемещений (All DOF)
Рисунок 6. Защемление лонжерона.
Затем был проведен модальный анализ лонжерона в диапазоне частот от 0 до 200 Гц. Первые четыре формы колебаний, представлены на рисунках 7-12.
Рисунок 7. Первая форма колебаний
Рисунок 8. Вторая форма колебаний
Рисунок 9. Вторая форма колебаний
Рисунок 10. Третья форма колебаний
Рисунок 11.Четвертая форма колебаний
Рисунок 12.Четвертая форма колебаний.
Расчет динамического отклика конструкции.
Динамический отклик лонжерона рассчитывался в Ansys Mechanical APDL. Все свободные грани элементов комлевого торца лонжерона были закреплены жесткой связью командой Rigid Region с осью вращения лонжерона и была задана угловая скорость, значение которой соответствует крейсерскому режиму полета ω=35 рад/с. На рисунках 13-18 представлены результаты расчета.
Рисунок 13. Распределение перемещений по оси х.
Рисунок 14. Распределение перемещений по оси у.
Рисунок 15. Распределение перемещений по оси z.
Рисунок 16. Распределение главных растягивающих напряжений.
Рисунок 17. Распределение главных сжимающих напряжений.
Рисунок 18. Распределение главных эквивалентных напряжений.
Расчет динамического отклика конструкции с изменением угловой скорости по времени.
Как исходные данные, используются графики изменения от времени перегрузки, действующей на лонжерон лопасти, и угловой скорости вращения лопасти, а также описание процесса выполнения фигуры пилотажа.
Рисунок 19. Зависимость перегрузки от времени.
Рисунок 20. Зависимость угловой скорости вращения винта от времени.
Сначала винт раскручивается из состояния покоя до своей обычной крейсерской скорости вращения. Затем, при уходе в первую часть пике, скорость вращения увеличивается, чтобы создать большую подъемную силу, которой хватило бы для того, чтобы начать набор высоты. После прохождения критической точки пике скорость вращения винта плавно возвращается в крейсерский режим. После выхода из фигуры пилотажа, вертолет продолжает движение вперед на крейсерской скорости.
Для расчета динамического отклика конструкции был выбран тип анализа Transient.
В параметрах анализа:
Solution → Analysis Type → Sol’n Controls
Необходимо изменить следующие параметры:
В графе Basic сделать активным поле Calculate prestress Effects, также в поле Frequency необходимо выбрать Write every substep. В строке Time at end of loadstep указывается необходимый участок времени в соответствии с графиком указанным на рисунке 19. В строке Number of substeps указывается количество шагов для данного участка времени. Для повышения точности было принято решение разделить одну секунду на десять шагов.
В результате расчета были получены зависимости следующих параметров от времени: перемещения свободного торца лонжерона по осям X,Y,Z и эквивалентных напряжений.
Рисунок 21. График зависимости перемещений концевой части лонжерона в поперечном направлении по времени X(t)
Рисунок 22. График зависимости перемещений концевой части лонжерона в вертикальном направлении по времени Y(t)
Рисунок 23. График зависимости перемещений концевой части лонжерона в продольном направлении по времени Z(t)
Рисунок 24. График зависимости (t) в комлевой части лонжерона.
Заключение
В работе была построена модель лонжерона лопасти вертолета Bell 429 и сформирована ее конечно-элементная модель. Проведены расчеты собственных частот и форм колебаний лонжерона с использованием Ansys Mechanical APDL.
- Собственные частоты колебаний: 0,88 Гц (Рисунок 7), 1,74 Гц (Рисунок 8), 4,4 Гц (Рисунок 10), 10,12 Гц (Рисунок 11), 11,86 Гц.
- Максимальное эквивалентное напряжение: ,
- Коэффициент запаса прочности: 3,65 ( )
Проверочные расчеты показали, что спроектированная конструкция работоспособна, на крейсерской скорости максимальные эквивалентные напряжения , что не превышает предел прочности равный , однако, при перегрузках 3g, которая является достаточно большой для вертолета и это практически максимальная перегрузка на вертолетах исполняющих элементы высшего пилотажа, лонжерон разрушается. Вертолет Bell 429, для которого рассчитывался лонжерон, является обычным пассажирским вертолетом бизнес класса, не рассчитанным на выполнение фигур высшего пилотажа и такие перегрузки он испытывать не будет, но стоит обратить внимание на то, что в расчете не учитывались аэродинамические силы и напряжения соответственно увеличатся.
Список использованной литературы
- Братухин, И.П. Проектирование и конструкции вертолетов / И.П. Братухин. – М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1955 г. – 360 с.
- Богданов, Ю.С. Конструкция вертолетов: Учебник для авиационных техникумов / Ю.С. Богданов, Р.А. Михеев, Д.Д. Скулков. – М.: Машиностроение, 1990 г. – 272 с.
Скачать: