Расчет кресла пилота в APM WinMachine
Кресло пилота
Компанией ООО НТЦ «АПМ» были проведены проверочные расчеты прочности и жесткости несущих (силовых) элементов в составе конструкции кресла пилота при статических и динамических нагрузках.
Основные составляющие кресла:
- Спинка;
- Сиденье;
- Механизм вертикального перемещения;
- Каретка;
- Основание;
- Силовые элементы.
Проверочные расчеты проводились с помощью программного продукта – «CAD\CAE система автоматизированного расчета и проектирования деталей машин, механизмов, элементов конструкций и узлов, машиностроительных объектов и оборудования APM WinMachine».
Исходные данные
В процессе эксплуатации кресло подвержено следующим нагрузкам (перегрузкам):
1. Статические (перегрузки по направлениям относительно направления установки кресла (по полету))
- вперед - 9g;
- вбок - 4g;
- вверх - 3g;
- вниз - 6g;
- назад - 1,5g.
2. Динамические
- вперед - 16g – пиковая (отклонение 10 град. от направления полета);
- вниз - 14g – пиковая (отклонение 30 град. от перпендикуляра к полу самолета).
При статической нагрузке возникающие максимальные эквивалентные напряжения в конструкции не должны превышать предел текучести материала, т.е. все силовые элементы конструкции должны работать в упругой зоне деформирования и при этом не должны возникать пластические (остаточные) деформации после снятия нагрузки.
При динамической нагрузке возникающие максимальные эквивалентные напряжения в конструкции не должны превышать предел прочности материала, т.е. при этом не происходит разрушение материалов и основная силовая конструкция остается целой.
Расчетная модель
Конечно-элементные модели конструкции кресла созданы на основе 3D моделей, выполненных в КОМПАС 3D и переданных заказчиком, в соответствии с техническим заданием.
Геометрия расчетной 3D модели несколько отличается от исходной. Это связано с необходимостью корректного создания математической модели, в частности, с учетом в модели только лишь несущих (силовых) элементов конструкции кресла, а также с формированием конечно-элементной сетки из солид-элементов.
В модели учтены:
нагрузки с ремней безопасности на силовые элементы кресла;- нагрузки от перегрузки.
Для динамических расчетов формировался импульс, моделирующий нарастание и снятие нагрузок.
Результаты расчета
Статический и динамический напряженно-деформированного состояния силовых элементов конструкции кресла проводился в геометрически и физически линейной постановке с помощью метода конечных элементов в модулях APM Structure3D и APM Studio, входящих в состав системы автоматизированного расчета и проектирования деталей машин, механизмов, элементов конструкций и узлов, машиностроительных объектов и оборудования APM WinMachine.
В результате расчета получены цветовые карты результатов анализа напряженно-деформированного состояния для различных комбинаций загружений.
Проведен прочностной и усталостный расчет подлокотника. Целью данного расчета являлся анализ напряженно-деформированного состояния конструкции подлокотника нагруженного статической и циклической вертикальной распределенной нагрузкой, а также оценка усталостного ресурса изделия при действии циклической нагрузки.
Выполнен расчет рельса. Целью данного расчета являлся анализ напряженно-деформированного состояния конструкции рельса, нагруженного статической распределенной нагрузкой (мгновенно действующая динамическая нагрузка), приложенной вертикально вверх по краям полок тавра.
Так же выполнены расчеты болтового соединения крепления катушки верхнего ремня безопасности и выполнен анализ крепления основания кресла к рельсу.
Итоги выполненного проекта
Анализируя представленные результаты по всем рассчитанным вариантам загружений модифицированной модели, можно сделать следующие выводы.
Основная часть несущей металлоконструкций кресла пилота при нагружении рассмотренными сочетаниями расчетных статических нагрузок испытывает напряжения, не превышающие допускаемые, а, следовательно, основная часть конструкции кресла работает в зоне упругих деформаций. Максимальные эквивалентные напряжения, оцененные по гипотезе прочности Губера-Мизеса (4 теория прочности), которые превосходят предел текучести сплава алюминия, возникают при действии ряда комбинаций загружений в нижеперечисленных зонах силовых элементов конструкции кресла:
- в опорной пластине сиденья;
- в муфте, в месте крепления к боковине сиденья;
- в боковине сиденья в месте крепления к муфте;
- в трубах сиденья (верхней и нижней) в местах крепления к боковым кронштейнам кресла;
- на ребрах боковых кронштейнов кресла.
В некоторых из этих зон, а именно в верхней трубе сиденья и боковых кронштейнах кресла, эквивалентные напряжения превысили предел прочности сплава алюминия.
При нагружении рассмотренными сочетаниями динамических нагрузок, оценивался результат, полученный при максимальном значении критерия (напряжений), соответствующий пику импульса нагрузок; при этом предел прочности материалов превышен в следующих зонах силовых элементов конструкции:
- в ребрах перемычки спинки - незначительно;
- в боковых кронштейнах спинки в местах крепления муфт и перемычки;
- в муфтах;
- в боковинах сиденья в местах крепления муфт;
- на оси крепления спинки - контактные напряжения;
- в верхней и нижней трубах сиденья в местах их крепления к кронштейнам кресла;
- в осях крепления гидрозамков;
- в боковых кронштейнах кресла.
Необходимо внесение изменений в конструкцию вышеперечисленных силовых элементов кресла для удовлетворения условиям прочности.
Максимальные суммарные перемещения в конструкции кресла возникают также при действии комбинаций загружений не превышают допускаемые.
Анализируя результаты расчетов конструкции подлокотника на статическую и усталостную прочность при заданном числе циклов, можно сделать вывод о том, что условия прочности выполняются с учетом принятой модификации конструкции.
Результаты расчетов фрагмента рельса на максимальную статическую распределенную нагрузку, действующую вертикально вверх, показывают, что предел текучести материала рельса не превышен.
Расчет прочности болтового соединения крепления катушки верхнего ремня безопасности показывает, что минимальный коэффициент запаса прочности возникает при расчете по наиболее жесткому критерию прочности на смятие стенок соединяемых деталей. С учетом принятых изменений, коэффициент запаса прочности на смятие превышает требуемое значение 1,33, что позволяет сделать вывод о работоспособности соединения.
Расчет прочности соединений крепления основания кресла к рельсу показывает, что условия прочности соединения оси ролика с опорной частью выполнены. Условие прочности на разрыв болта крепления опорной части к основанию кресла выполняется для статической нагрузки с коэффициентом запаса 2.9. При действии же мгновенной динамической нагрузки условие прочности болта на разрыв не выполняется с требуемым коэффициентом запаса 1.33.
Проведенная работа показала применимость программного комплекса APM WinMachine для решения сложных задач авиационной промышленности.
