cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2023-26-4-64-76caht-2223Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGАнализ адекватности результатов конечно-элементного моделирования фюзеляжа в зоне большого вырезаAnalysis of the results adequacy of the fuselage finite-element modeling in the vicinity of a large cutoutБолдыревА. В.BoldyrevA. V.

Болдырев Андрей Вячеславович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой конструкции и проектирования летательных аппаратов

г. Самара

Andrey V. Boldyrev, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Structure and Design Aircraft Chair

Samara

boldirev.av@ssau.ruПавельчукМ. В.PavelchukM. V.

Павельчук Максим Владимирович, старший преподаватель кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов

г. Самара

Maksim V. Pavelchuk, Senior Lecturer of the Structure and Design Aircraft Chair

Samara

pmv90aircraft@gmail.comСамарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. КоролеваРоссияSamara National Research University named after S.P. Korolev (Samara University)Russian Federation2023280820232646476Copyright © Болдырев А.В., Павельчук М.В., 20232023Болдырев А.В., Павельчук М.В.Boldyrev A.V., Pavelchuk M.V.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/2223

Рассматриваются вопросы обеспечения достоверности конечно-элементных моделей (КЭМ) фюзеляжа в зоне выреза под люк на ранних стадиях проектирования летательного аппарата. Сформулированы цель и задачи исследования. Для оценки достоверности математических моделей подобраны объекты, имеющие эталоны. Обсуждаются методы экспериментальных исследований и средства измерений. Приводятся результаты сравнительного анализа численного эксперимента с аналитическими решениями и данными натурных экспериментов. Для валидации КЭМ конструкций определены проверяемые характеристики и типы их проверки. Результаты исследования содержат обсуждение влияния подробности конечно-элементной сетки на коэффициент концентрации напряжений, адекватности моделирования поля напряжений и деформаций в окрестности выреза, учета нелинейности в расчетах на прочность конструкций с концентрацией напряжений. Особое внимание в работе уделено анализу моделирования каркасированной цилиндрической оболочки с большим прямоугольным вырезом, для которой выполнены натурные испытания сотрудниками ЦАГИ. Анализируются деформации силовых шпангоутов, ограничивающих вырез в цилиндрической оболочке, касательные и эквивалентные напряжения в обшивке, нормальные напряжения в стрингерах на пересечении с силовым шпангоутом, смещения сечений шпангоутов в контрольных точках. По результатам исследования сформулированы рекомендации для моделирования тонкостенных конструкций фюзеляжа в зоне большого выреза, обеспечивающие выполнение расчетов с инженерной точностью.

The issues of ensuring the reliability of the finite element models (FEM) of the fuselage in the hatch cutout zone are considered at the early aircraft design stages. The purpose and tasks of research are formulated. To assess the reliability of mathematical models, the objects with standards were selected. The methods of experimental research and measuring instruments are discussed. The results of a comparative analysis of the numerical experiment with analytical solutions and full-size experiments data are presented. For the validation of FEM structures, the checkable characteristics and types of their verification are determined. The results of this research contain a discussion of the impact of finite element mesh details on a stress concentration factor, an adequacy of modeling the stress and strain field in the vicinity of the cutout and taking into account a nonlinearity in strength calculations of structures with stress concentration. This paper focuses on the analysis of modeling a framed cylindrical shell with a large rectangular cutout, for which full-size tests were conducted by TSAGI researchers. Strains of strong frames, limiting the cutout in a cylindrical shell, shearing and equivalent stress in the skin, normal stresses in stringers at the intersection with the strong frame, displacements of strong frames cross-sections at test points are analyzed. Based on the results of this research, the recommendations for modeling thin-walled fuselage structures in the vicinity of a large cutout, ensuring the performance of calculations with engineering accuracy were formulated.    

оценка достоверностиокантовка вырезалюкконцентратор напряженийчисленный экспериментаналитическое решениенатурный экспериментvalidity estimationedge former of cutouthatchstress concentrationnumerical experimentanalytical solutionfullsize experimentReferencesБолдырев А.В., Павельчук М.В., Синельникова Р.Н. Развитие методики топологической оптимизации конструкции фюзеляжа в зоне большого выреза // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26, № 3. С. 62–71.Boldyrev, A.V., Pavelchuk, M.V., Sinelnikova, R.N. (2019). Enhancement of the fuselage structure topological optimization technique in the large cutout zone. Aerospace MAI Journal, vol. 26, no. 3, pр. 62–71. (in Russian)Niu M.C.Y. Airframe structural design. Hong Kong: Conmilit Press Ltd, 1988. 612 p.Niu, M.C.Y. (1988). Airframe structural design. Hong Kong: Conmilit Press Ltd, 612 p.Болдырев А.В., Комаров В.А. Проектирование силовой схемы фюзеляжа самолета в зоне большого выреза // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2016. № 8−9. С. 21–26.Boldyrev, A.V., Komarov, V.A. (2016). The aircraft fuselage structural layout designing in the region of large cutout. AllRussian Scientific-Technical Journal “Polyot” (“Flight”), no. 8−9, pр. 21–26. (in Russian)Болдырев А.В., Комаров В.А., Павельчук М.В. Отсек фюзеляжа летательного аппарата с вырезом под люк. Патент № RU 2646175 C1. B64C 1/14: опубл. 01.03.2018. 11 с.Boldyrev, A.V., Komarov, V.A., Pavelchuk, M.V. (2018). Fuselage compartment of the aircraft with a hatch cutout. Patent RU no. 2646175 C1. B64C 1/14: publ. March 1, 11 p. (in Russian)Стрижиус В.Е. Методы расчета усталостной долговечности элементов авиаконструкций. М.: Машиностроение, 2012. 272 с.Strizhius, V.E. (2012). Methods for calculating the fatigue life of aircraft structural elements. Moscow: Mashinostroeniye, 272 p. (in Russian)Рычков С.П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. М.: ДМК Пресс, 2013. 784 с.Rychkov, S.P. (2013). Modeling of structures in Femap with NX Nastran. Moscow: DMK Press, 784 p. (in Russian)Фрохт М.М. Фотоупругость: поляризационно-оптический метод исследования напряжений / Пер. с англ. М.Ф. Бокштейн, Ю.Ф. Красонтовича, А.К. Прейсс, под ред. проф. Н.И. Пригоровского. Т. 1. М.–Л.: Гостехиздат, 1948. 432 с.Frokht, M.M. (1948). Photoelasticity: polarization-optical method of stress analysis. Translated from English by Bokstein M.F., Krasontovich Yu.F., Preuss A.K., in prof. Prigorovsky N.I. (Ed). Vol. 1. Moscow-Leningrad: Gostekhizdat, 432 p. (in Russian)Савин Г.Н. Распределение напряжений около отверстий. Киев: Наукова думка, 1968. 891 с.Savin, G.N. (1968). Stress distribution around holes. Kyiv: Naukova Dumka, 891 p. (in Russian)Young W.C., Roark R.J., Budynas R.G. Roark’s formulas for stress and strain. 7th ed. New York: McGraw-Hill Professional, 2002. 852 p.Young, W.C., Roark, R.J., Budynas, R.G. (2002). Roark’s formulas for stress and strain. 7th ed., New York: McGraw-Hill Professional, 852 p.Погосян М.А., Лисейцев Н.К., Стрелец Д.Ю. и др. Проектирование самолетов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Инновационное машиностроение, 2018. 864 с.Pogosyan, M.A., Liseytsev, N.K., Sagittarius, D.Yu. et al. (2018). Aircraft design. 5th ed., pererab i dop. Moscow: Innovatsionnoye Mashinostroyeniye, 864 p. (in Russian)Зинченко В.И. Конструкция и эксплуатация самолета Ту-154Б (планер, шасси, системы). СПб.: Академия ГА, 1998. 89 с.Zinchenko, V.I. (1998). Design and operation of the TU-154B aircraft (airframe, landing gear, systems). St. Petersburg: Akademiya GA, 89 p. (in Russian)Хлебутин Н.В. Экспериментальное исследование напряжений и деформаций при кручении цилиндрической каркасированной оболочки с прямоугольным вырезом // Труды ЦАГИ. 1961. Вып. 816. 67 с.Khlebutin, N.V. (1961). Experimental research of stresses and strains under torsion a framed cylindrical shell with a rectangular cutout. Trudy TsAGI, issue 816, 67 р. (in Russian)Касаткин Б.С. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений / Б.С. Касаткин, А.Б. Кудрин, Л.М. Лобанов, В.А. Пивторак, П.И. Полухин, Н.А. Чиченев. Киев: Наукова думка, 1981. 584 с.Kasatkin, B.S. Kudrin, A.B., Lobanov, L.M., Pivtorak, V.A., Polukhin, P.I., Chichenev, N.A. (1981). Experimental methods of deformation and stress analysis. Kyiv: Naukova Dumka, 584 p. (in Russian)Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. М.: Наука, 1973. 576 с.Alexandrov, A.Ya., Akhmetzyanov, M.Kh. (1973). Polarization-optical methods of deformable body mechanics. Moscow: Nauka, 576 p. (in Russian)Пересыпкин В.П. Некоторые прикладные аспекты метода конечных элементов в расчетах авиационных конструкций: дис. ... канд. техн. наук. Куйбышев: КуАИ, 1979. 209 с.Peresypkin, V.P. (1979). Some applied aspects of the finite element method in aircraft structures calculations: Cand. of Tech. Sc. Thesis. Kuibyshev: KuAI, 209 p. (in Russian)Астахов М.Ф. Справочная книга по расчету самолета на прочность / М.Ф. Астахов, А.В. Караваев, С.Я. Макаров, Я.Я. Суздальцев. М.: Гос. изд-во оборонной промышленности, 1954. 701 с.Astakhov, M.F., Karavaev, A.V., Makarov, S.Ya., Suzdaltsev, Ya.Ya. (1954). Reference book for an aircraft strength calculation. Moscow: Gosudarstvennoye izdatelstvo oboronnoy promyshlennosti, 701 p. (in Russian)Фомин В.П. Расчет цилиндрических подкрепленных оболочек с учетом нелинейного поведения элементов конструкции // Ученые записки ЦАГИ. 1980. Т. 11, № 1. С. 72–80.Fomin, V.P. (1980). Calculation of cylindrical reinforced shells considering the nonlinear behavior of structure elements. Uchenyye zapiski TsAGI, vol. 11, no. 1, pр. 72–80. (in Russian)Perelmuter A.V., Tur V.V. Готовы ли мы перейти к нелинейному анализу при проектировании? // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2017. Vol. 13, no. 3. Pp. 86−102. DOI: 10.22337/1524-5845-2017-13-3-86-102Perelmuter, A.V., Tur, V.V. (2017). Whether we are ready to proceed to a nonlinear analysis at designing? International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, vol. 13, no. 3, pр. 86−102. (in Russian)Рудаков К.Н. Femap 10.2.0. Геометрическое и конечно-элементное моделирование конструкций. Киев: НТУУ «КПИ», 2011. 317 с.Rudakov, K.N. (2011). Femap 10.2.0. Geometric and finite element modeling of structures. Kyiv: NTUU “KPI”, 317 p. (in Russian)

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