Оптимизация трёхслойных сотовых панелей пола из полимерных композиционных материалов пониженной горючести на основе высокопрочных углеродных и стеклянных волокон и клеевого связующего


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Рассматривается задача проектирования трёхслойных сотовых панелей пола самолётов с использованием экспериментальных данных о механических характеристиках новых высокопрочных композиционных материалов пониженной горючести. Описывается разработанная экспериментально-аналитическая методика проектирования и алгоритм оптимизации. Проектная задача, в которой целевой функцией является масса квадратного метра конструкции, сформулирована в терминах нелинейного математического программирования. В качестве проектных переменных рассматриваются толщина несущих слоёв, высота сотового заполнителя трёхслойной панели и ряд других. Отмечается дискретный характер проектных переменных. Предлагается графическая интерпретация задачи оптимального проектирования, которая позволяет свести возможные решения, основанные на экспериментальных данных, к перебору ограниченного числа вариантов конструкций. Приводятся демонстрационный пример и результаты проектирования панелей пола современного пассажирского самолёта в зоне прохода с использованием нового материала пониженной горючести. Панель пола рассматривается как неразрезная многоопорная пластина, нагруженная распределённой нагрузкой. Предлагаемый графоаналитический метод позволяет сформировать область рациональных проектов, отличающихся по массе от оптимального на заданную допустимую величину. Проведённый расчётно-экспериментальный анализ показывает, что с использованием нового материала может быть спроектирована панель пола в зоне прохода с несущими слоями из клеевого угле- или стеклопластика и лёгкого сотового заполнителя с массой квадратного метра от 2,9 до 3,4 кг, что находится на уровне мировых достижений.

Об авторах

В. А. Комаров

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Автор, ответственный за переписку.
Email: vkomarov@ssau.ru

доктор технических наук, профессор кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов; директор научно-образовательного центра авиационных конструкций

Россия

К. Е. Куцевич

Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов

Email: kucevichke@viam.ru

кандидат технических наук, начальник сектора лаборатории клеёв и клеевых препрегов

Россия

С. А. Павлова

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: pavlova-sva@yandex.ru

инженер научно-образовательного центра авиационных конструкций

Россия

Т. Ю. Тюменева

Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов

Email: kucevichke@viam.ru

заместитель начальника лаборатории клеёв и клеевых препрегов

Россия

Список литературы

  1. Александров А.Я., Крушин Л.И. Трёхслойные пластинки и оболочки. Прочность, устойчивость, колебания. Т. 2. М.: Машиностроение, 1968. 326 с.
  2. Гиммельфарб А.Л. Основы конструирования в самолётостроении. М.: Машиностроение, 1980. 370 с.
  3. Хертель Г. Тонкостенные конструкции в авиастроении. М.: Машиностроение, 1965. 528 с.
  4. Niu M.C.Y. Airframe structural design: Practical design information and data on aircraft structures. Hong Kong: Conmilit Press Ltd, 1988. 612 p.
  5. Allen H.G. Analysis and design of structural sandwich panels. London: Pergamon, 1969. 300 p.
  6. Александров А.Я. Расчёт трёхслойных панелей. М.: Оборонгиз, 1960. 271 с.
  7. Кобелев В.Н., Коварский Л.М., Тимофеев С.И. Расчёт трёхслойных конструкций. М.: Машиностроение, 1984. 304 с.
  8. Мэттьюз Ф., Роллингс Р. Мир материалов и технологий. Композиционные материалы. Механика и технология. М.: Техносфера, 2004. 408 с.
  9. Vasiliev V.V., Morozov E.V. Advanced mechanics of composite materials and structural elements. Amsterdam: Elsevier, 2013. 832 p. doi: 10.1016/C2011-0-07135-1
  10. Каблов Е.Н. России нужны материалы нового поколения // Редкие земли. 2014. № 3. С. 8-13.
  11. Душин М.И., Ермолаева А.М., Катырев И.Я., Недойнов П.Н., Павлова М.А., Перов Б.В., Суворов Б.Д., Толстобров Е.П. Углепластики в панелях пола трёхслойной конструкции // Авиационная промышленность. 1978. № 6. С. 8-12.
  12. Шокин Г.И., Шершак П.В., Андрюнина М.А. Опыт разработки и освоения производства сотовых панелей пола ЛА из отечественных материалов // Авиационная промышленность. 2017. № 1. С. 32-39.
  13. Шершак В.П., Шокин Г.И., Егоров В.Н. Технологические особенности производства трёхслойных сотовых панелей пола воздушных судов // Авиационная промышленность. 2014. № 3. С. 34-42.
  14. Комаров В.А., Кишов Е.А., Куцевич К.Е., Павлов А.А., Павлова С.А., Тюменева Т.Ю. Разработка требований к механическим характеристикам композиционного материала с учётом области применения // Клеи. Герметики. Технологии. 2020. № 2. С. 13-19. doi: 10.31044/1813-7008-2020-0-2-13-19
  15. Куцевич К.Е., Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Тюменева Т.Ю. Клеевые препреги – перспективные материалы для деталей и агрегатов из ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 379-387. doi: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-379-387
  16. Викарио А., Толанд Р. Критерии прочности и анализ разрушения конструкций из композиционных материалов // В кн.: «Композиционные материалы». Т. 7. Анализ и проектирование конструкций. М.: Машиностроение, 1978. С. 62-107.
  17. Комаров В.А., Кишов Е.А., Чарквиани Р.В., Павлов А.А. Расчётно-экспериментальный анализ прочности изделий из тканевого эпоксидного углепластика // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2015. Т. 14, № 2. С. 106-112. doi: 10.18287/2412-7329-2015-14-2-106-112
  18. Куцевич К.Е., Тюменева Т.Ю., Петрова А.П. Влияние наполнителей на свойства клеевых препрегов и ПКМ на их основе // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 4 (49). С. 51-55. doi: 10.18577/2071-9140-2017-0-4-51-55
  19. ГОСТ 25.601-80. Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах. М.: Издательство стандартов, 1980. 14 с.
  20. ГОСТ 25.602-80. Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах. М.: Издательство стандартов, 1980. 18 с.
  21. ASTM D3518 / D3518M-18. Standard test method for in-plane shear response of polymer matrix composite materials by tensile test of a ±45 laminate. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2018. doi: 10.1520/D3518_D3518M-18
  22. ASTM D4255 / D4255M-20. Standard test method for in-plane shear properties of polymer matrix composite materials by the rail shear method. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020. doi: 10.1520/D4255_D4255M-20
  23. ASTM D790-17. Standard test method for flexural propeties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017. doi: 10.1520/D0790-17
  24. ASTM C365 / C365M-16. Standard test method for flatwise compressive properties of sandwich cores. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016. doi: 10.1520/C0365_C0365M-16
  25. ASTM C393 / C393M-20. Standard test method for core shear properties of sandwich constructions by beam flexure. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020. doi: 10.1520/C0393_C0393M-20
  26. ASTM C273 / C273M-20. Standard test method for shear properties of sandwich core materials. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020. doi: 10.1520/C0273_C0273M-20
  27. ASTM C297 / C297M-16. Standard test method for flatwise tensile strength of sandwich constructions. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016. doi: 10.1520/C0297_C0297M-16
  28. Малков В.П., Угодчиков А.Г. Оптимизация упругих систем. М.: Наука, 1981. 288 с.
  29. Есипов Б.А. Методы оптимизации и исследование операций. Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2007. 180 с.
  30. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластины и оболочки. М.: Наука, 1966. 636 с.
  31. Вайнберг Д.В., Вайнберг Е.Д. Расчёт пластин. Киев: Будiвельник, 1970. 436 с.
  32. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 271 c.
  33. Комаров В.А. Проектирование силовых аддитивных конструкций: теоретические основы // Онтология проектирования. 2017. Т. 7, № 2 (24). C. 191-206. doi: 10.18287/2223-9537-2017-7-2-191-206
  34. Баранников А.А., Вешкин Е.А., Постнов В.И., Стрельников С.В. К вопросу производства панелей пола из ПКМ для летательных аппаратов (обзорная статья) // Известия Самарского научного центра РАН. 2017. Т. 19, № 4 (2). С. 198-213.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2020

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах