1. Разработка основных требований к проектируемому шпангоуту

Следует отметить, что конструктор при проектировании конструкции шпангоута должен учесть ряд требований:

1. Минимальная масса конструкции;

2. Максимальная жесткость фюзеляжа в зоне установки шпангоута;

3. Прочность, устойчивость и долговечность элементов конструкции;

4. Удобство, трудоемкость и периодичность обслуживания (ремонтопригодность);

5. Минимальное число эксплуатационных, конструктивных и технологических разъемов;

6. Минимальная себестоимость изготовления.

Задача конструктора – найти наилучшее компромиссное решение, определить наиболее полную степень удовлетворения в проектируемом изделии каждого из требований с учетом предполагаемых конкретных условий производства.

2. Разработка рационального варианта силовой схемы шпангоута на основе интуитивных соображений (интуитивный вариант). Описание модели.

Опираясь на результаты анализа задания и интуитивные соображения, был разработан и согласован с преподавателем эскиз интуитивного варианта силовой схемы шпангоута (рис.3).

Рисунок 3 – Интуитивный вариант силовой схемы шпангоута

На первом этапе (“интуитивный” шпангоут - вариант “Int”) была создана конечно-элементная модель (КЭМ) пространственной конструкции, которая состоит из стержневых и мембранных элементов и цилиндрической оболочки. В программе CATIA была построена геометрическая модель “интуитивного” шпангоута (рис.3). Данная модель была импортирована в программу NASTRAN. Заданы параметры материала, указанного в задании. Созданы два типа элементов: стержневой (с площадью 200 мм²) и мембранный (толщиной 1 мм). Произведено разбиение геометрии сеткой элементов – выбран размер элементов 200. При генерации конечно-элементной сетки учитывалось, что наилучшую точность имеют элементы в форме квадрата, допускается также использование прямоугольников и элементов с небольшим отклонением от этих форм. Смоделирована поверхность обшивки (мембранный тип) толщиной 1 мм длиной равной диаметру фюзеляжа (2800 мм). Модель закреплена и нагружена усилиями P = 1200000 H в соответствии с заданием. Полученная модель показана на рисунке 4.

Далее модель была отправлена на расчет. Результат статического анализа, в результате которого получена картина распределения напряжений и суммарных деформаций, показана на рисунках 5 и 6.

Рисунок 4 – КЭМ интуитивного варианта шпангоута

Рисунок 5 – Картина распределения эквивалентных напряжений в статическом состоянии

Рисунок 6 – Деформированное состояние модели шпангоута

Определение силового фактора G является ключевым моментом в весовом анализе проектируемой конструкций. Для определения силового фактора и объема материала совокупности элементов, моделирующих шпангоут при заданном случае нагружения, воспользовался специально написанной программой G_factor (автор – Болдырев А.В.) [1].

В итоге для интуитивного варианта силовой схемы шпангоута получил результат:

V=9,6000E+06 мм³;

m=2,5920E+01 кг;

G=4,7691E+09 Н∙мм.

3. Разработка “традиционного” варианта силовой схемы шпангоута

На втором этапе разработки рационального варианта шпангоута при заданных граничных условиях была построена геометрическая модель "традиционного" шпангоута с постоянной строительной высотой 0,1 R - вариант "Tr" (рис.7).

Рисунок 7 - Геометрическая модель "традиционного" шпангоута в CATIA

Для анализа весовой эффективности этой силовой схемы необходимо создать конечно-элементную модель (КЭМ). Конструктивно "традиционный" шпангоут состоит из поясов, адекватно моделируемых стержневыми элементами Rod из библиотеки конечных элементов NASTRAN , и стенки, работающей в плоском (мембранном) напряженном состоянии. При моделировании цилиндрической оболочки предполагаем, что используется фюзеляж типа "монокок" и поэтому можно выбрать конечные элементы Membrane.

На рис.8 представлена КЭМ "традиционного" шпангоута.

Рисунок 8 – КЭМ традиционного варианта шпангоута

Для заданного случая нагружения выполнен статический расчет и производен анализ напряженно-деформированного состояния конструкции (рис.9-10).

Рисунок 9 - Картина распределения эквивалентных напряжений в статическом состоянии

Рисунок 10 - Деформированное состояние «традиционной» модели шпангоута

В итоге для традиционного варианта силовой схемы шпангоута получил результат:

V=4,5089E+06;

m=1,2174E+01;

G=6,5819E+09.