Разработка оптимальной конструкции многослойной консоли крыла беспилотного летательного аппарата с экспериментальным подтверждением

Авиационная и ракетно-космическая техника

Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов


DOI: 10.34759/vst-2020-1-65-75

Авторы

Бохоева Л. А.1*, Балданов А. Б.1**, Чермошенцева А. С.2***

1. Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, ул. Ключевская, 40в, стр. 1, Улан-Удэ, Республика Бурятия, 670013, Россия
2. Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, Москва, 105005, Россия

*e-mail: bohoeva@yandex.ru
**e-mail: aldarbaldanov@gmail.com
***e-mail: asch-13@ya.ru

Аннотация

Исследовано напряженно-деформированное состояние (НДС) композитной слоистой консоли крыла беспи­лотного летательного аппарата (БПЛА). Определена оптимальная конструкция многослойной обшивки консоли крыла БПЛА из композиционных материалов в системе ANSYS, обеспечивающая максимальную прочность и же­сткость при заданных нагрузках. Консоль крыла состоит из двух полных и двух неполных слоев. Разработана ав­томатизированная процедура выбора угла укладки волокон в слое. Получено 17 вариантов углов укладки волокон для однослойной консоли крыла в зависимости от жесткости крыла, из которых выбраны три варианта оптимального армирования. Для уменьшения деформации крыла был добавлен дополнительный второй слой по всей поверхности крыла. При расчете модели крыла из двух слоев рассмотрены 33 варианта укладок волокон. При расчете трех слоев рассмотрены 47 вариантов укладки волокон в слое. При расчете крыла из двух полных и двух неполных слоев рассмотрены 64 варианта укладки волокон. Для экспериментального изготовления консоли крыла методом холодного формования выполнены рабочие чертежи оснастки. Консоль крыла изготовлена из стеклоткани марки Т-25 (ВМ) ТУ 6-11-380-76 выкладкой слоев вручную. Послойная укладка слоев производилась в строгом соответствии с расчетной моделью при соблюдении размеров выкроек и углов армирования по основе в каждом слое. Поверхность каждого слоя пропитывали эпоксидной смолой ЭД-20 с отвердителем. Согласно проведенным расчетам и построенным моделям изготовлена экспериментальная консоль крыла из слоистого стеклопластика. Полая консоль крыла имеет массу 1,46 кг, что на 3% больше массы расчетной модели. Масса спроектированной и изготовленной консоли крыла на 43% меньше, чем масса консоли, выполненной из полных слоев при одинаковой прочности. На изготовление спроектированной консоли крыла требуется на 25–30% меньше материала. Данный подход может быть широко использован при проектировании и изготовлении элементов конструкций и изделий из композиционных материалов.

Ключевые слова:

оптимальная консоль крыла, прочность, жесткость, многослойные композиционные конструкции, угол укладки волокон, оснастка, метод холодного формования

Библиографический список

  1. Мамедов И.Э., Шарифова Б.А. Оптимизация режима функционирования беспилотного летательного аппарата при взятии пробы морской воды // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 3. С. 72-79.

  2. Фетисов В.С., Неугодникова Л.М., Адамовский В.В., Красноперов Р.А. Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние. – Уфа: ФОТОН, 2014. – 217 с.

  3. Бондарев А.Н., Киричек Р.В. Обзор беспилотных летательных аппаратов общего пользования и регулирования воздушного движения БПЛА в разных странах // Информационные технологии и коммуникации. 2016. Т. 4. № 4. С. 13-23.

  4. Образцов И.Ф. Строительная механика летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1986. – 536 с.

  5. Бохоева Л.А., Курохтин В.Ю., Перевалов А.В., Рогов В.Е., Покровский А.М., Чермошенцева А. С. Испытания элементов конструкций и узлов вертолета на усталостную прочность // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 1. С. 7-16.

  6. Каримов А.Х. Особенности проектирования беспилотных авиационных систем нового поколения // Труды МАИ. 2011. № 47. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=26767

  7. Покровский А.М., Чермошенцева А. С. Экспериментальное исследование влияния нанодобавок на свойства композиционных материалов с межслойными дефектами // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 3. С. 212-221.

  8. Bokhoeva L.A., Rogov V.E., Pokrovskiy A.M., Chermoshentseva A.S. Stands for fatigue strength tests // XIV International Scientific-Tecnical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). 2018. Vol. 8, pp. 251-254. DOI: 10.1109/ APEIE.2018.8545626

  9. Пархаев Е.С., Семенчиков Н.В. Методика аэродинамической оптимизации крыльев малоразмерных беспилотных летательных аппаратов // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 3. С. 7-16.

  10. Mitrofanov O.V. Post-buckling behaviour estimation of thin cylindrical composite shells of non-symmetrical structure in case of compression // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 684. No. 1, pp. 012018. DOI: 10.1088/1757-899X/684/1/012018

  11. Mitrofanov O.V., Klesareva M.V. Design of cylindrical composite panels with mild camber for biaxial compression taking into account geometrical nonlinearity with uniform heating and rigid support // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 684. No. 1, pp. 012019. DOI: 10.1088/1757-899X/684/1/012019

  12. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.

  13. Алфутов Н.А., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. Расчёт многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. – М.: Машиностроение, 1984. – 263 с.

  14. Бирюк В.И., Нгуен Х.Ф. Оценка влияния анизотропии композиционного материала на снижение нагрузок для беспилотного летательного аппарата // Антенны. 2014. № 8. С. 42-48.

  15. Гришин В.И., Дзюба А.С., Дударьков Ю.И. Прочность и устойчивость элементов и соединений авиационных конструкций из композитов. – М.: Физматлит, 2013. – 272 с.

  16. Бохоева Л.А., Буторин А.А., Баиров С.А., Кондратьева А.Н., Ипатов Д.Н. Моделирование элементов конструкции беспилотного летательного аппарата в программном комплексе SolidWorks // III Международная конференция молодых ученых по современным проблемам материалов и конструкций (24-28 августа 2019, Улан-Удэ – оз. Байкал, Россия): Сборник статей. Улан-Удэ: Изд-во Бурятского госуниверситета, 2019. С. 291-297.

  17. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. Ansys для инженеров: Справочное пособие. – М.: Машиностроение, 2014. – 511 с.

  18. Rolfes R., Rohwer K. Improved Transverse Shear Stresses in Composite Finite Elements Based on First Order Shear Deformation Theory // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1997. Vol. 40. No. 1, pp. 51-60. DOI: 10.1002/(sici)1097-0207(19970115)40:1<51::aid-nme49>3.0.co;2-3

  19. Roos R., Kress G.R., Barbezat M., Ermanni P. Enhanced model for interlaminar normal stress in singly curved laminates // Composite Structures. 2007. Vol. 80. No. 3, pp. 327-333. DOI: 10.1016/j.compstruct.2006.05.022

  20. Бохоева Л.А., Рогов B.E. Разборная оснастка для изготовления консоли крыла беспилотного летательного аппарата. Патент RU 192733 U1. Бюл. № 27, 27.09.2019.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024