Анализ адекватности результатов конечно-элементного моделирования фюзеляжа в зоне большого выреза

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.

1. Болдырев 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.

2. Niu M.C.Y. Airframe structural design. Hong Kong: Conmilit Press Ltd, 1988. 612 p.

3. 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.

4. 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.

5. Стрижиус В.Е. Методы расчета усталостной долговечности элементов авиаконструкций. М.: Машиностроение, 2012. 272 с.

6. Рычков С.П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. М.: ДМК Пресс, 2013. 784 с.

7. 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.

8. Савин Г.Н. Распределение напряжений около отверстий. Киев: Наукова думка, 1968. 891 с.

9. 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.

10. 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.

11. Зинченко В.И. Конструкция и эксплуатация самолета Ту-154Б (планер, шасси, системы). СПб.: Академия ГА, 1998. 89 с.

12. Хлебутин Н.В. Экспериментальное исследование напряжений и деформаций при кручении цилиндрической каркасированной оболочки с прямоугольным вырезом // Труды ЦАГИ. 1961. Вып. 816. 67 с.

13. 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.

14. Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. М.: Наука, 1973. 576 с.

15. Пересыпкин В.П. Некоторые прикладные аспекты метода конечных элементов в расчетах авиационных конструкций: дис. ... канд. техн. наук. Куйбышев: КуАИ, 1979. 209 с.

16. 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.

17. Фомин В.П. Расчет цилиндрических подкрепленных оболочек с учетом нелинейного поведения элементов конструкции // Ученые записки ЦАГИ. 1980. Т. 11, № 1. С. 72-80.

18. 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. https://doi.org/10.22337/1524-5845-2017-13-3-86-102

19. Рудаков К.Н. Femap 10.2.0. Геометрическое и конечно-элементное моделирование конструкций. Киев: НТУУ «КПИ», 2011. 317 с.