cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2022-25-1-89-99caht-1939Research ArticleАВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКАAVIATION, ROCKET AND SPACE TECHNOLOGYПроектирование термомеханического хомутового стыка из материалов с эффектом памяти формы для беспилотных летательных аппаратовDesign of the thermomechanical clamp joint of materials with shape memory effect for unmanned aerial vehicleКуприяноваЯ. А.KupriyanovaYa. A.

Куприянова Янина Алексеевна, инженер; аспирант

г. Долгопрудный; г. Москва

Yanina A. Kupriyanova, Engineer; Postgraduate Student

Dolgoprudny; Moscow

janina.kuprianova@yandex.ruДолгопрудненское научно-производственное предприятие; Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияDolgoprudny Research and Production Enterprise; Moscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation2022280220222518999Copyright © Куприянова Я.А., 20222022Куприянова Я.А.Kupriyanova Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1939

В настоящее время материалы с эффектом памяти формы (ЭПФ) нашли широкое применение в области соединения тонкостенных оболочек. Использование материалов с ЭПФ в соединении отсеков беспилотного летательного аппарата (БПЛА) позволяет повысить точность и технологичность сборки, выполнять многократную сборку-разборку стыка и обеспечивает передачу усилий с разных поверхностей БПЛА с соблюдением заданных условий прочности. Рассмотрена методика проектирования разъемного хомутового (ленточного) стыка, выполненного из материала с эффектом памяти формы ЭПФ, отсеков БПЛА малого диаметра. Хомут представляет собой незамкнутую оболочку, выполненную из материала с ЭПФ. Перед установкой хомут охлаждается, и ему задают необходимую форму. При нагреве его диаметр уменьшается до заданного для обеспечения герметичности и отсутствия зазоров в конструкции. Были определены основные параметры, необходимые для решения задачи параметрической оптимизации хомутового стыка, при которых соединение будет отвечать требованиям прочности и иметь минимальную массу. На основе расчета хомутового стыка был получен алгоритм расчета, позволяющий проводить расчет ленточных соединений отсеков БПЛА различных диаметров. Была создана компьютерная модель соединения в САПР SolidWorks с параметрами, отвечающими требованиям прочности конструкции. На основе геометрии модели и свойств указанных материалов был проведен расчет массы конструкции при различных значениях угла наклона поверхности хомута. Приведена методика проектирования хомутового стыка, изготовленного из никелида титана. Найдены зависимости прочности соединения отсеков от параметров хомута и набор параметров, позволяющий спроектировать рабочую конструкцию хомутового соединения с наименьшей массой.

Currently, materials with shape memory effect (SME) are widely utilized in the field of joining thin-walled shells. The application of SME materials in the joining of unmanned aerial vehicle (UAV) compartments makes it possible to increase the accuracy, high assembly manufacturability to perform multiple joint assembly-disassembly work and ensures the forces transfer from UAV different surfaces in compliance with the specified strength conditions. The paper considers a design technique for a detachable clamp (tape) joint, made up of SME material, of UAV small-diameter compartments. The clamp is an open shell made up of SME material. Before installation, the clamp is cooled, and the required shape is given to it. When heated, its diameter reduces to the specified to ensure tightness and absence of clearances in the design. The critical parameters were specified. They are required to solve the problem of parametric optimization of the clamp joint, whereby the joint will meet the strength requirements and have the minimum mass. Based on the calculation of a clamped joint, the calculation algorithm, that allows the calculation of tape connections for various diameters UAV compartments, was obtained. A computer model of joining in CAD Solid Works with the parameters that comply with the structural strength requirements was created. Based on geometry of the model and the properties of the stated materials, the calculation of structural mass under various values of the inclination angle of the clamp surface was carried out. The method of designing a clamp joint, made up of titanium nickel, is represented. The dependences of compartments joints strength on the clamp parameters and a set of parameters, allowing us to design the working structure of the clamp joint with the lowest mass, are found.

беспилотный летательный аппаратхомутовый стыкэффект памяти формыunmanned aerial vehicleclamp jointshape memory effectReferencesАфанасьев П.П. Беспилотные летательные аппараты. Основы устройства и функционирования / П.П. Афанасьев, И.С. Голубев, С.Б. Левочкин, В.Н. Новиков, С.Г. Парафесь, М.Д. Пестов, И.К. Туркин, под ред. И.С. Голубева, И.К. Туркина. М.: Изд-во МАИ, 2010. 654 с.Afanasev, P.P., Golubev, I.S., Levochkin, S.B., Novikov, V.N., Parafes, S.G., Pestov, M.D. and Turkin, I.K. (2010). Bespilotnyye letatelnyye apparaty. Osnovy ustroystva i funktsionirovaniya [Unmanned aircraft. Structure and functioning fundamentals], in Golubev I.S., Turkin I.K. (Eds.). Moscow: Izdatelstvo MAI, 654 p. (in Russian)Захаров Л.Г. Управляемая ракета / Л.Г. Захаров, Ю.Д. Копылов, Е.М. Дризгалович, С.В. Маст. Патент RU 2542679C1, 20.02.2015. Бюл. № 5.Zakharov, L.G., Kopylov, Ju.D., Drizgalovich, E.M. and Mast, S.V. (2015). Guided missile. Patent RU 2542679C1, February 20, 2015, Bull. № 5. (in Russian)Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. Сплавы с эффектом памяти формы / Пер. с японского, под ред. Х. Фунакубо. М.: Металлургия, 1990. 224 с.Ootsuka, K., Simidzu, K. and Sudzuki, Yu. (1990). Splavy s effektom pamyati formy [Shape memory alloys]. Translated from Japanese, in H. Funakubo (Ed.). Moscow: Metallurgiya, 224 p. (in Russian)Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. М.: Техносфера, 2006. 224 с.Warden, K. (2006). Novyye intellektualnyye materialy i konstruktsii [New intellectual materials and structures]. Moscow: Tekhnosfera, 224 p. (in Russian)Белошенко В.А., Варюхин В.Н. Эффект памяти формы в полимерах и его применение. Киев: Наукова думка, 2005. 191 с.Beloshenko, V.A. and Varyukhin, V.N. (2005). Effekt pamyati formy v polimerakh i yego primeneniye [Shape memory effect in polymers and its application]. Kiev: Naukova Dumka, 191 p. (in Russian)Белошенко В.А., Варюхин В.Н., Возняк Ю.В. Эффект памяти формы в полимерах // Успехи химии. 2005. Т. 74, № 3. С. 285–306.Beloshenko, V.A., Varyukhin, V.N. and Voznyak, Yu.V. (2005). The shape memory effect in polymers. Russian Chemical Reviews, vol. 74, no. 3, p. 265–283. DOI: 10.1070/RC2005v074n03ABEH000876Малухина О.А., Хусаинов М.А. Устойчивость сферических сегментов с эффектом памяти формы // Вестник Новгородского государственного университета. 2013. № 75-2. С. 103–104.Malukhina, O.A. and Khusainov, M.A. (2013). Stability of shape memory spherical segments. Vestnik NOVSU, no. 75-2, p. 103–104. (in Russian)Хусаинов М.А. Устойчивость элементов с памятью формы. В кн.: Сплавы никелида титана с памятью формы: монография. Ч. 1. Структура, фазовые превращения и свойства / Под ред. В.Г. Пушина. Екатеринбург: Институт физики металлов УрО РАН, 2006. С. 226–242.Khusainov, M.A. (2006). Ustoychivost elementov s pamyatyu formy [Stability of elements with shape memory]. In book: Alloys tini with memory of the form. A Part I. Structure, phase transformations and properties, in Pushin V.G. (Ed.). Ekaterinburg: Institut fiziki metallov UrO RAN, p. 226–242. (in Russian)Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. 215 с.Likhachev, V.A., Kuzmin, S.L. and Kamentseva, Z.P. (1987). Effekt pamyati formy [Shape memory effect]. Leningrad: Izdatelstvo LGU, 215 p. (in Russian)Michutta J. Elementary martensitic transformation processes in Ni-rich NiTi single crystals with Ni4Ti3 precipitates / J. Michutta, Ch. Somsen, A. Yawny, A. Dlouhy, G. Eggeler // Acta Materialia. 2006. Vol. 54, iss. 13. P. 3525–3542. DOI: 10.1016/j.actamat.2006.03.036Michutta, J., Somsen, Ch., Yawny, A., Dlouhy, A. and Eggeler, G. (2006). Elementary martensitic transformation processes in Ni-rich NiTi single crystals with Ni4Ti3 precipitates. Acta Materialia, vol. 54, issue 13, p. 3525–3542. DOI: 10.1016/j.actamat.2006.03.036Nam T.-H. Phase transformation behavior in Ti-Ni alloy ribbons fabricated by melt spinning / T.-H. Nam, J.-H. Kim, M.-S. Choi, H.-W. Lee, Y.-W. Kim // Journal de Physique IV France. 2003. Vol. 112. P. 893–896. DOI: 10.1051/jp4:20031025Nam, T.-H., Kim, J.-H., Choi, M.-S., Lee, H.-W. and Kim, Y.-W. (2003). Phase transformation behavior in Ti-Ni alloy ribbons fabricated by melt spinning. Journal de Physique IV France, vol. 112, p. 893–896. DOI: 10.1051/jp4:20031025Бледнова Ж.М. Поверхностное модифицирование материалами с эффектом памяти формы в инженерных приложениях: научно-образовательный курс. Краснодар, 2016. 138 с.Blednova, Zh.M. (2016). Poverkhnostnoye modifitsirovaniye materiala s effektom pamyati formy v inzhenernykh prilozheniyakh: nauchno-obrazovatelnyy kurs [Surface modification with shape memory materials in engineering applications: scientific and educational course]. Krasnodar, 138 p. (in Russian)Бледнова Ж.М., Степаненко М.А. Роль сплавов с эффектом памяти формы в современном машиностроении: научно-образовательный курс. Краснодар, 2012. 69 с.Blednova, Zh.M. and Stepanenko, M.A. (2012). Rol splavov s effektom pamyati formy v sovremennom mashinostroyenii: nauchno-obrazovatelnyy kurs [The role of shape memory alloys in modern mechanical engineering: scientific and educational course]. Krasnodar, 69 p. (in Russian)Каюмов Р.А. Численное моделирование поведения полимерной муфты с эффектом памяти формы / Р.А. Каюмов, А.Т. Мухаметшин, И.З. Мухамедова, Д.Е. Страхов // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18, № 3. С. 259–262.Kayumov, R.A., Mukhametshin, A.T., Mukhamedova, I.Z. and Strakhov, D.E. (2015). Chislennoye modelirovaniye povedeniya polimernoy mufty s effektom pamyati formy [Numerical modeling of the behavior of a polymer coupling with shape memory effect]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, vol. 18, no. 3, p. 259–262. (in Russian)Алексеев К.П. Экспериментальное исследование механических характеристик муфто-клеевых соединений трубопроводов с термоусаживающимися муфтами из термореактивных материалов / К.П. Алексеев, В.Ф. Строганов, Д.Е. Страхов, И.В. Строганов // Проблемы прочности и пластичности. 2002. № 64. С. 138–141.Alekseev, K.P., Stroganov, V.F., Strakhov, D.E. and Stroganov, I.V. (2002). Eksperimentalnoye issledovaniye mekhanicheskikh kharakteristik mufto-kleyevykh soyedineniy truboprovodov s termousazhivayushchimisya muftami iz termoreaktivnykh materialov [Experimental study of the mechanical characteristics of coupling-adhesive joints of pipelines with heat-shrinkable couplings made of thermosetting materials]. Problems of Strength and Plasticity, no. 64, p. 138–141. (in Russian)Фигуровский В.И. Расчет на прочность беспилотных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973. 359 c.Figurovskiy, V.I. (1973). Raschet na prochnost bespilotnykh letatelnykh apparatov [Calculation of the strength of unmanned aircrafts]. Moscow: Mashinostroyeniye, 359 p. (in Russian)Парафесь С.Г. Методы структурно-параметрической оптимизации конструкции беспилотных летательных аппаратов. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. 315 с.Parafes, S.G. (2009). Metody strukturno-parametricheskoy optimizatsii konstruktsii bespilotnykh letatelnykh apparatov [Methods of structural and parametric optimization of the unmanned aircraft design]. Moscow: Izdatelstvo MAI-PRINT, 315 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.