Расчет кабины в программном комплексе APM WinMachine

Кабина летательного аппаратаКабина летательного аппарата

Компания ООО НТЦ «АПМ» выполнила прочностной расчет несущей конструкции кабины для обоснования возможности ее использования в качестве кабины летательного аппарата после дооснащения её приборным оборудованием, установки на плече центрифуги Ц-30 и проведения в ней работ при вращении с перегрузкой до 10g и до 15g.

Задачи проекта: расчёт прочностных характеристик (допустимых нагрузок) конструкции кабины в местах и точках крепления размещаемого на ней оборудования.

Изделие представляет собой металлическую кабину с укреплённым в ней приборным оборудованием. Несущий каркас образуют лонжероны и шпангоуты, обшитые дюралюминиевыми листами (обшивкой).

Лонжероны (элементы продольного набора каркаса) воспринимают главным образом продольные силы и изгибающие моменты, а также связывают между собой элементы поперечного набора – шпангоуты.

Шпангоуты являются элементами поперечного набора каркаса, придают кабине заданную форму поперечного сечения, обеспечивают поперечную жесткость, а также воспринимают местные нагрузки и подкрепляют жесткую обшивку.

Обшивка выполняется из листов алюминиевого сплава и крепится к элементам каркаса. Листы обшивки соединяются между собой по шпангоутам встык.

Способ установки: шарнирное закрепление к ферме центрифуги Ц-30.

Расчет проводился с использованием программного продукта – CAD/CAE «Система автоматизированного расчета и проектирования механического оборудования и конструкций APM WinMachine».

Расчетная модель

Установка макета катапультного кресла Построение конечно-элементной модели для расчёта прочности конструкции кабины стенда, а также узлов крепления оборудования, выполняется в модуле APM Structure3D.

При построении расчётной модели использовались стержневые (балочные), трех- и четырехузловые пластинчатые, шести- и восьмиузловые объемные конечные элементы.

Внутренние связи модели имитировали условия соединения отдельных конструктивных элементов кабины. Приближение к реальным условиям соединения таких элементов конструкции достигалось путем введения в расчетную модель фиктивных (недеформируемых) стержней и снятием с них ограничений на отдельные степени свободы.

Все связи в КЭ модели центральные, т.е. связь осуществляется через центры тяжестей сечений соответствующих элементов.

Схема установки опор в расчетной моделиРасчетная нагрузка определена согласно ТЗ и включает в себя постоянные (от действия гравитационных сил) и временные (от действия сил инерции) составляющие.

Несущая конструкция кабины находится под действием систем распределенных вертикальных и горизонтальных сил. Вертикальные силы создаются собственным весом конструкции, оборудования и пилота. Горизонтальную нагрузку на конструкцию создают силы инерции, возникающие при вращении кабины.

Равномерное вращение кабины сопровождается возникновением центробежной силы инерции. При этом несущие элементы конструкции испытывают дополнительную динамическую нагрузку.

Схематизация условий закрепления модели предполагает имитацию ограничений, налагаемых внешними и внутренними связями на положение упругой системы в целом и отдельных конструктивных элементов. Наложение внешних связей определено ТЗ. При моделировании поведения несущей конструкции рассматривается вариант ее фиксации на плече центрифуги Ц-30. Внешние связи системы воспроизводились заданием ограничений на перемещения опор относительно глобальной системы декартовых координат (ГСК модели). Фиксация расчетной модели осуществлялась наложением ограничений линейных перемещений  узловых точек опорных элементов.

 

Результаты расчета

В ходе статического анализа расчетной модели определены: опорные реакции, внутренние силовые факторы, напряжения и деформации, возникающие в элементах конструкции, получены оценки ее статической прочности.

Значения внутренних силовых факторов в узлах модели, полученные из результатов статического анализа, использовались в качестве исходных данных при выполнении проверочных расчетов соединений на статическую прочность.

На основании результатов прочностного расчета дано заключение о возможности дальнейшей безопасной эксплуатации кабины на центрифуге Ц-30, после проведения на ней регламентных работ, а также рекомендации по усилению критичных компонент изделия.

 

Карта распределения эквивалентных напряжений в металлоконструкции кабины Карта распределения эквивалентных напряжений в шпангоутах Карта распределения эквивалентных напряжений в верхних балках Карта распределения эквивалентных напряжений в кронштейне рельсы

ИтогиИтоги выполненного проекта

По результатам прочностного расчета конструкции кабины могут быть сделаны следующие выводы:

  • На основе анализа конечно-элементных моделей установлено, что напряженно-деформированное состояние конструкции при действии расчетных нагрузок имеет неоднородный характер, который наиболее существенно зависит от величины перегрузки, массы и расположения приборного оборудования в конструкции кабины. Вклад величины нагрузки собственного веса в общую картину НДС изделия является незначительным, ее максимальное влияние оценивается в пределах 10%. Поэтому характер распределения внутренних усилий, напряжений и деформаций в большей степени зависит от положения конструктивного элемента относительно оси вращения кабины.
  • Напряженное состояние несущей системы изделия характеризуется наличием концентраций эквивалентных напряжений, возникновение которых связано с присутствием в расчетных моделях геометрических и «модельных» концентраторов, создающих в своих окрестностях особенности напряженного состояния. Следует отметить, что концентрации напряжений имеют локальный характер. Распределение эквивалентных напряжений вне названных зон не зависит от их максимального уровня. В этой связи наличием характерных зон концентрации в расчетной модели можно пренебречь, и механическое состояние конструкции оценивать по наибольшему уровню напряжений, действующих за их пределами. В рабочем состоянии изделия (при перегрузках, не превышающих величину 15g), величина эквивалентных напряжений, возникающих в элементах усиленной конструкции (в том числе каркасах приборного оборудования) не превышает уровень расчетного сопротивления конструкционного материала, и соответственно необходимая прочность обеспечивается.
  • Установлено, что при действии расчетных нагрузок деформирование несущей системы кабины во всех случаях нагружения реализуется при малых перемещениях, величина которых намного меньше длин соответствующих элементов системы. Характер формоизменения несущей системы в основном зависит от вертикальных линейных перемещений, обусловленных действием инерционной нагрузки.
  • Проверки соединений элементов конструкции показали, что все коэффициенты надежности для основных узлов крепления приборного оборудования превышают значение единицы и соответствуют требованиям технического задания, предъявляемым к соответствующим узлам конструкции кабины.

Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод о том, что усиленная конструкция кабины (включая каркасы крепления приборного оборудования) соответствует предъявляемым требованиям, способна нести прикладываемые к ней нагрузки, соответствующие режиму эксплуатации, и не требует дополнительных мер по увеличению прочностных характеристик. Дальнейшая эксплуатация изделия на центрифуге Ц-30 после проведения указанных работ по усилению конструкции и установки приборного оборудования является безопасной.

Проведенная работа показала применимость программного комплекса APM WinMachine для решения сложных задач авиационной промышленности.

Продукты