Оптимизация конструкции киля из полимерных композиционных материалов за счет применения биоподобных конструктивно-силовых схем

Для удовлетворения потребности в эффективности по прочности, устойчивости, массе летательного аппарата необходимо решить комплексную сложную задачу проектирования силового каркаса. При этом необходимо принимать во внимание оптимизацию формы, количество, места расположения элементов. В настоящий момент основным вариантом конструктивно-силовой схемы является набор продольных из поперечных элементов, оптимизация которых уже практически исчерпала себя. Применение полимерных композиционных материалов на основе стеклянных и углеродных волокон, обладающих высокими удельными характеристиками по сравнению с металлами, позволяет повысить характеристики изделия и дополнительно оптимизировать структуру каркаса за счет анизотропии свойств материала. Однако для дальнейшего улучшения свойств необходимы принципиально новые силовые схемы. Благодаря развитию технологий изготовления изделий из композиционных материалов, в том числе аддитивному производству и трехмерной печати, а также развивающимся методам математического моделирования и автоматизированного проектирования и стало возможным создание новых перспективных силовых схем. К ним относятся биоподобные конструкции, основанные на природных аналогах, таких как крылья насекомых. Работа посвящена актуальной задаче поиска и выбора новых конструктивно-силовых схем. Целью работы является снижение массы киля самолета при обеспечении прочности конструкции. В работе рассмотрено пять вариантов конструктивно-силовых схем, включая классическую исходную конструкцию. Аэродинамические нагрузки на конструкцию определены с помощью моделирования процесса обтекания на заданном режиме полета. Определено напряженно-деформированное состояние силовой конструкции и выбран оптимальный из рассмотренных вариант. Установлено преимущество биоподобных конструкций из полимерных композиционных материалов над металлическими классическими вариантами. Результаты работы будут учтены и использованы в дальнейшей оптимизации силовых схем и разработке методик выбора силовых конструкций. 

1. Балунов К.А. Многодисциплинарные аспекты в исследованиях синтеза и оптимизации конструктивно-силовых схем летательных аппаратов / К.А. Балунов, Ф.З. Ишмуратов, С.А. Туктаров, В.М. Уськов, В.В. Чедрик // Прочность конструкций летательных аппаратов: сборник статей научно-технической конференции. Жуковский, 08-09 декабря 2016 г. Москва: ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, 2017. Т. 2764. С. 29-36.

2. Mitrofanov O., Osman M. Designing of smooth composite panels providing stability and strength at postbuckling behavior // Mechanics of Composite Materials. 2022. Vol. 58. Pp. 15-30. https://doi.org/10.1007/ s11029-022-10008-3

3. Molinari G., Arrieta A.F., Ermanni P. Aero-structural optimization of three-dimensional adaptive wings with embedded smart actuators [Электронный ресурс] // AIAA Journal. 2014. Vol. 52, nо. 9. Pp. 1940-1951. https://doi.org/10.2514/1.J052715 (дата обращения: 27.04.2022).

4. Reznik S.V., Esetbatyrovich A.S. Composite air vehicle tail fins thermal and stress-strain state modeling [Электронный ресурс] // AIP Conference Proceedings. 2021. Vol. 2318, iss. 1. ID: 020012. https://doi.org/10.1063/5.0036561 (дата обращения: 27.04.2022).

5. Митрофанов О.В. Проектирование несущих панелей из композитных материалов по закритическому состоянию: обзор и актуальные задачи // Естественные и технические науки. 2021. № 11 (162). С. 224-226. https://doi.org/10.25633/ETN.2021.11.17

6. Михайловский К.В., Барановски С.В. Методика проектирования крыла из полимерных композиционных материалов на основе параметрического моделирования. Часть 3. Выбор и обоснование оптимальных схем армирования силовых элементов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 5 (698). С. 75-84. https://doi.org/10.18698/0536-1044-2018-5-75-84

7. Татарников О.В., Пху Вэй Аунг, Найнг Лин Аунг. Выбор оптимальной конструктивно-силовой схемы лонжеронного композитного крыла // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 12 (741). С. 90-99. https://doi.org/10.18698/0536- 1044-2021-12-90-99

8. Больших А.А., Еремин В.П. Применение метода параметрической оптимизации в задачах проектирования пассажирских авиалайнеров [Электронный ресурс] // Инженерный журнал: наука и инновации. 2020. № 10 (106). 14 c. https://doi.org/10.18698/2308-6033- 2020-10-2022 (дата обращения: 27.04.2022).

9. Гузева Т.А., Малышева Г.В. Особенности разработки конструкторско-технологических решений при проектировании деталей из полимеров и композитов // Технология металлов. 2022. № 4. C. 35-41. https://doi.org/10.31044/1684-2499-2022-0-4-35-41

10. Martinez D.W. A comprehensive review on the application of 3D printing in the aerospace industry / D.W. Martinez, M. Espino, J.R. Dizon, H.M. Cascolan, J.L. Crisostomo // Key engineering materials. 2022. Vol. 913. Pp. 27-34. https://doi.org/10.4028/p-94a9zb

11. Azarov A.V., Kolesnikov V.A., Khaziev A.R. Development of equipment for composite 3D printing of structural elements for aerospace applications [Электронный ресурс] // IOP conference series: materials science and engineering. 2020. Vol. 934. ID: 012049. https://doi.org/10.1088/1757-899X/934/1/012049 (дата обращения: 27.04.2022).

12. Song L., Gao T., Tang L. An allmovable rudder designed by thermo-elastic topology optimization and manufactured by addi tive manufacturing [Электронный ресурс] // Computers and structures. 2021. Vol. 243. ID: 106405. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2020.106405 (дата обращения: 27.04.2022).

13. Азаров А.В., Бабичев А.А., Разин А.Ф. Оптимальное проектирование сетчатой композитной панели крыла самолета при одноосном сжатии // Механика композиционных материалов и конструкций. 2020. Т. 26, № 4. С. 490-500. https://doi.org/10.33113/mkmk. ras.2020.26.04.490_500.04

14. Zhu J.H., Zhang W.H., Xia L. Topology optimization in aircraft and aerospace structures design // Archives of computational methods in engineering. 2016. No. 23. Pp. 595-622. https://doi.org/10.1007/s11831-015-9151-2

15. Юргенсон С.А. Конструкционные элементы на основе метаматериалов / С.А. Юргенсон, Е.В. Ломакин, Б.Н. Федулов, А.Н. Федоренко // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. № 4. С. 211-219. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.4.18

16. Dubois A., Farhat C., Abukhwejah A.H. Parameterization framework for aeroelastic design optimization of bio-inspired wing structural layouts // 57th AIAA/ASCE/AHS/ ASC structures, structural dynamics, and materials conference. USA, San Diego, 4-8 January 2016. Vol. 2016-0485. Pp. 1-16. https://doi.org/10.2514/6.2016-0485

17. Soboyejo W., Daniel L. (Eds.). Bioinspired structures and design. Cambridge: Cambridge University press, 2020. 360 p. https://doi.org/10.1017/9781139058995

18. Singh K. Hybrid optimization of curviline-arly stiffened shells using parallel processing / K. Singh, W. Zhao, M. Jrad, R.K. Kapania [Электронный ресурс] // Journal of aircraft. 2019. Vol. 56, no. 3. Pp. 1068-1079. https://doi.org/10.2514/1.C035069 (дата обращения: 27.04.2022).

19. Барановски С.В., Михайловский К.В. Структурно-оптимизированная конструкция крыла из полимерных композиционных материалов. Часть 1. Криволинейные силовые элементы // Ученые записки ЦАГИ. 2020. Т. 51, № 2. С. 79-86.

20. Zhao W., Kapania R.K. Bilevel programming weight minimization of composite flying-wing aircraft with curvilinear spars and ribs [Электронный ресурс] // AIAA Journal. 2019. Vol. 57, no. 6. Pp. 2594-2608. https://doi.org/10.2514/1.J057892 (дата обращения: 27.04.2022).

21. De S., Jrad M., Kapania R.K. Structural optimization of internal structure of aircraft wings with curvilinear spars and ribs [Электронный ресурс] // Journal of aircraft. 2019. Vol. 56, no. 2. Pp. 707-718. https://doi.org/10.2514/1. C034818 (дата обращения: 27.04.2022).

22. Stanford B.K., Jutte C.V. Comparison of curvilinear stiffeners and tow steered composites for aeroelastic tailoring of aircraft wings // Computers & Structures. 2017. Vol. 183, no. 15. Pp. 48-60. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2017.01.010

23. Vescovini R. A sem-analytical approach for the analysis of variable-stiffness panels with curvilinear stiffeners / R. Vescovini, V. Oliveri, D. Pizzi, L. Dozio, P.M. Weaver // International Journal of Solids and Structures. 2020. Vol. 188-189. Pp. 244-260. https://doi.org/10.1016/ j.ijsolstr.2019.10.011

24. Salcedo M.K. Computational analysis of size, shape and structure of insect wings [Электронный ресурс] / M.K. Salcedo, J. Hoffmann, S. Donoughe, L. Mahadevan // Biology Open. 2019. Vol. 8, no. 10. ID: bio040774. https://doi.org/10.1242/bio.040774 (дата обращения: 27.04.2022).