Библиографическое описание:

Сенюшкин Н. С., Зырянов А. В., Копиртех А. В., Кузнецова А. С. Исследование динамики разрушения и демпфирования удара конструкцией летательного аппарата при нерасчетном контакте с поверхностью // Молодой ученый. — 2012. — №11. — С. 82-85.

Основным методом определения прочности элементов конструкции планера и стоек шасси [2] при соударении с поверхностью являются численные исследования позволяющие с достаточной степенью достоверности решать динамическую задачу соударения конструкции и поверхности. Пример конструкции фюзеляжа беспилотного летательного аппарата показан на рис 1.

Исследования прочности конструкции при ударе проводятся с использованием универсальной конечно-элементной программы ANSYS. Параметры воздействия со стороны поверхности определяются в процессе решения задачи прочности. Существует два метода решения задач взаимодействия: на основе формирования лагранжевой и эйлеровой сетей.

Метод Лагранжа, с элементами постоянной массы, является самым общим методом решения конечно-элементной задачи деформирования конструкции. При использовании лагранжевого метода узловые точки сети исследуемого объекта считаются закрепленными на поверхности и в теле модели объекта. Элементы, на которые разбивается модель, связаны между собой через узловые точки. В процессе заданных взаимодействий объект деформируется, узловые точки перемещаются и элементы искажаются.


Рисунок 1 – Фюзеляж БПЛА


Метод Эйлера с элементами постоянного объема применяется для моделирования движения объектов и различных сред в пространстве. Здесь узловые точки сети фиксированы в пространстве и в разные моменты времени эйлеровы элементы, связанные между собой через узловые точки, наделены различными свойствами. В частности, движение модели объекта через эйлерову сетку моделируется переносом от элемента к элементу массы, количества движения и энергии объекта.

В данном исследовании эйлерова и лагранжева сети использованы водном расчете (рис. 2.2.2) и взаимодействуют между собой через специально задаваемую "соприкасающуюся поверхность". Эта поверхность является непроницаемой границей для среды в эйлеровой сетке. Движущаяся среда воздействует на эту поверхность, вызывая деформацию лагранжевой сети (конструкции).

Первый этап численного моделирования состоит в создании геометрии поверхностей и объемов, участвующих в задаче объектов. Вторым этапом является задание на поверхностях и объемах конечных элементов. В задаче используются два вида элементов - лагранжевые и эйлеровые.


Рисунок 2.2.2 – Построение расчетной сети


Конечно-элементные модели обшивок, стрингеров и нервюр состоят из плоских четырехугольных элементов типа "оболочка".

Для модели используется свойства материала ПС-1 [1], плотностью ρ =0,0001 г/см3 и модулем упругости Е = 0,8 * 103 кгс/см2.

Пространство перед зоной удара заполняется эйлеровыми элементами.

В любом месте этого эйлерого пространства можно задать и "запустить" процесс столкновения. В эйлеровых элементах определяется геометрический объект в виде замкнутого объёма - модель планера. Для нее задаются начальная скорость и свойства.

Модель планера представляет собой сплошное тело в виде прямоугольника, имеющего подкрепляющий силовой набор (рис 2.2.3, 2.2.4).

В качестве общего критерия разрушения для элементов конструкции выбрано достижение действующих эквивалентных деформаций величины допускаемых:

εi,мах ≥ [ε].

Рисунок 3 – Трехмерная твердотельная модель носовой части фюзеляжа


Рисунок 4 – Расчетная сетка носовой части фюзеляжа


При этом действующие эквивалентные деформаций, выраженные через

деформации в главных осях - ε1, ε2, ε3, записываются в виде:

Для принятого представления диаграммы деформирования, действующие напряжения и деформации можно представить в виде сумм упругой и пластической составляющих:

,

где εy – эквивалентные упругие деформации, εp - эквивалентные накопленные

пластические деформации.

Полагая в момент разрушения для упруго-пластических материалов εi≈εp, ввиду малости упругих деформаций - εy по сравнению с величиной пластических - εp, в качестве допускаемого значения деформации принимается максимальная величина эквивалентных пластических деформаций:

[ε]=( εв-σ02/Е).

Тогда критерий разрушения для элементов конструкции принимает вид

εр,мах ≥ [ε].

Именно этот деформационный критерий разрушения представляется наиболее эффективным. Так как динамический процесс взаимодействия носит колебательный характер, где упругая составляющая деформаций и амплитуда напряжений, возникающих в элементах, быстро меняется, сложно точно зафиксировать момент разрушения по изменению напряжений.

Изменение временного шага в процессе вычислений связано с изменением размера элемента, например, из-за деформаций или разрушения.

Здесь вступает в силу критерий Куранта, который записывается в виде:

,

где Δ t - минимальный временной шаг, S - параметр меньший единицы, b - минимальный размер элемента, c - скорость звука в среде.

Скорость звука в среде в свою очередь выражается формулой:

где Е - модуль упругости, ρ - плотность среды.

В соответствии с этим критерием, задается начальный и минимальный временные шаги. На каждом шаге расчета вычисляется Δt.

Скорость соударения планера и поверхности, при которой происходит

разрушение, учитывая существенно нелинейные и динамические процессы

взаимодействия, определяется путем проведения серии расчётов с различными скоростями взаимодействия до определения минимальной скорости, при которой выполняется критерий разрушения. При этом величина скорости деформации в рассматриваемых случаях оценивалась с использованием статической диаграммы деформирования материала в билинейной форме.

На основе использования результатов натурных испытаний проведена верификация комплекса ANSYS для решения задачи столкновения конструкции с поверхностью, что позволяет обоснованно с высокой степенью достоверности проводить расчеты.

Особенности расчета:

  • Импортирование файла происходит из формата SAT. Для удобства использования свойств материалов масштабируем модель в сантиметры.
  • Для расчета используется тип элемента Solid 95.
  • Модель разбивается нерегулярной сеткой с шириной элемента 1 см.
  • На переднюю кромку прикладывается распределенная q= 100 кгс/м = 1 кгс/см.

По трехмерному расчету видно превышение допустимых нагрузок и разрушение конструкции фюзеляжа. Таким образом, показана методика позволяющая оценить деформации и возможные разрушения фюзеляжа при нерасчетных контактах.

Работа выполнена в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 годы.


  • Литература:
  1. Альшиц И. Я., Благов Б. Н. Проектирование деталей из пластмасс. Справочник. Серия: Б-ка конструктора. М.: Машиностроение. 1977г. 215 с., илл.
  2. Сенюшкин и др. Математическая модель работы шасси при демпфировании динамических воздействий в процессе взлета и посадки летательного аппарата/ Молодой ученый. — 2012. — №4. — С. 41-43.

Основные термины (генерируются автоматически): беспилотного летательного аппарата, узловые точки, конструкции фюзеляжа, элементов конструкции, критерий разрушения, узловые точки сети, конструкции фюзеляжа беспилотного, элементов конструкции планера, задачи деформирования конструкции, разрушение конструкции фюзеляжа, конструкцией летательного аппарата, деформационный критерий разрушения, Исследования прочности конструкции, возможные разрушения фюзеляжа, задачу соударения конструкции, Исследование динамики разрушения, задачи столкновения конструкции, степенью достоверности, Похожая статья, общего критерия разрушения.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle