Инженерная методика для определения характеристик защитного экрана при ударе нелокализованным обломком двигателя

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Том ХЬ
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2 0 09
№ 4
УДК 629. 735. 33. 067 629.7. 03. 067
ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАЩИТНОГО ЭКРАНА ПРИ УДАРЕ НЕЛОКАЛИЗОВАННЫМ ОБЛОМКОМ ДВИГАТЕЛЯ
А. В. ЧЕРНОВ
Рассматривается простая инженерная методика по расчету защитных свойств конструкции при ударе обломком двигателя на основе расчетных параметрических исследований.
Ключевые слова: компоновка самолета, удар, нелокализованные обломки двигателя, метод конечных элементов, инженерная методика.
В последнее время для перспективных самолетов рассматривается компоновка самолета с верхним расположением двигателей (рис. 1). Такая схема размещения позволяет обеспечить малошумность внутри салона и на земле. Для этой компоновки важной задачей является обеспечение защиты конструкции двигателя от нелокализованных обломков соседнего двигателя в случае его разрушения. На рис. 2 приведен пример установки защитного экрана в мотогондоле силовой установки. При этом необходимо также рассматривать воздействие больших высокоэнергетических обломков ротора двигателя с энергией порядка 150 кДж.
Основным методом определения прочности элементов конструкции планера при соударении с фрагментами ротора двигателя являются натурные испытания. Вместе с тем эти эксперименты весьма дорогостоящи и их объем ограничен. Поэтому представляется важным использование расчетных методов, позволяющих с достаточной степенью достоверности решать динамическую задачу соударения конструкции летательного аппарата и обломков ротора двигателя.
Рис. 1. Компоновка самолета
Рис. 2. Пример установки защитного экрана в мотогондоле силовой
установки
В статье рассматривается инженерная методика определения энергии, поглощенной конструкцией планера или защитными экранами при ударе обломками ротора двигателя на основе обобщения большого объема расчетных параметрических исследований с использованием программы М8С. Бу1гап [1]. Для верификации расчетных моделей использовались результаты натурных экспериментов [2, 3]. В процессе исследований для конструкции преграды были выбраны следующие варьируемые параметры — характеристики прочности материала, геометрические размеры, количество преград, соответственно для обломка двигателя — начальная кинетическая энергия, конструкционные материалы, размеры контактной зоны. Определены эмпирические зависимости для коэффициентов влияния этих параметров на защитные свойства конструкции. Инженерная методика может быть использована на ранних стадиях проектирования для определения толщины и веса защитных экранов.
Расчетные параметрические исследования. Инженерная методика базируется на обобщении большого объема расчетных исследований по воздействию ударников, моделирующих обломки двигателя, на конструкцию.
Характеристикой защитных свойств конструкции является энергия, поглощенная конструкцией Епогл. Были выбраны следующие варьируемые параметры: Екин — кинетическая энергия обломка- ^ - толщина пластины- Ь — периметр площади контакта- 0 — угол между траекторией разлета обломка и нормалью к экрану- а и Ь — размеры пластины и обломка- св — разрушающие напряжения для пластины и обломка.
Искомая функция для определения энергии, поглощенной пластиной, записывается в виде:
Епогл = ?(, Ь, 0, а, Ь, материал). (1)
Предполагается, что все переменные параметры, входящие в уравнение (1), являются независимыми, поэтому можно переписать это равенство в следующем виде:
Епогл = К/1 () /2 (Ь) /з (0) /4 (a, Ь) /5 (материал). (2)
Рассматривались как большие обломки двигателя с кинетической энергией до 150 кДж, так и малые с кинетической энергией до 1 кДж. В ходе параметрических расчетов варьировалась начальная скорость обломка и определялась скорость обломка после пробивания преграды. На рис. 3 показаны зависимости остаточной скорости обломка за преградой от его начальной скорости. Устанавливались начальные скорости обломков, при которых происходит их полное торможение (остаточная скорость равна нулю).
На рис. 4 показаны зависимости кинетической энергии обломков перед преградой и за ней от квадрата начальной скорости обломка. Эти зависимости имеют линейный характер. Очевидно, что разность между кинетической энергией обломка перед преградой и кинетической энергией обломка после ее пробивания равна энергии, поглощенной преградой и самим обломком. На рис. 5 показаны зависимости этой энергии от квадрата начальной скорости обломка. Из этих рисунков видно, что энергия, поглощенная в процессе пробивания преграды, растет с увеличением скорости
-У '-
5 160 —
д —
§ 120 -о. о 3 80 о- - г 40
У
О
Ё О
О 270
Рис. 3. Зависимость остаточной скорости обломка от начальной: а — малые обломки двигателя- б — большие обломки двигателя
I

м= 7.9 г

Е




290 зю 330 350 370
Начальная скорость, м/с
390
б)
сі)
400
200

_ В начаї 1БНЫЙ МО мент вре мени



Поа те удара
¦ і ¦-
80 000 100 000 120 000 140 000
Квадрат начальной скорости, м2/с2
«60
б)
40
а 20
В начальт гый момент вр емени



ІІО еле удара

о
12 000
16 000 20 000
Квадрат начальной скорости, м2/с2
Рис. 4. Зависимость кинетической энергии обломка от квадрата его начальной скорости (а и б — что и на рис. 3)
о)
200
& lt-и
& amp-
° А
В 0
С 800






о о 100 000 120 000 140 000
Квадрат начальной скорости, м2/с2
б)
12 000 16 000 20 000
Квадрат начальной скорости, м2/с2
Рис. 5. Зависимость поглощенной энергии обломка от квадрата его начальной скорости (а и б — что и на рис. 3)
обломка. В случае полного торможения осколка двигателя защитным экраном (остаточная скорость обломка равна нулю) поглощенная энергия имеет наименьшую величину.
Далее приведены результаты, характеризующее влияние каждого независимого параметра
((() (2 (() (3 (О) /4 (a, ь) /5 (материал)) на величину поглощенной энергии.
Варьирование толщины пластины Г привело к результатам, показанным на рис. 6. Аппроксимирующая функция влияния толщины пластины может быть определена следующим образом:
?погл = КГ2, / (Г) = Г2. (3)
Результаты варьирования периметра площади контакта Ь приведены на рис. 7. Аппроксимирующая функция влияния периметра площади контакта Ь может быть представлена в следую-
щем виде:
Епогл = КЬ, /2 (Ь) = Ь. (4)
Рис. 6. Влияние толщины пластины (а и б — что и на рис. 3)
Рис. 7. Влияние периметра площади контакта (а и б — что и на рис. 3)
Рис. 8. Влияние угла между траекторией обломка и нормалью к пластине
Варьирование угла между траекторией разлета обломка и нормалью к пластине 0 показано на рис. 8. Из приведенного графика следует, что аппроксимирующая функция влияния угла между траекторией обломка и нормалью к пластине в интервале изменения 0 = 0 — 40° может быть принята в виде:
= К1/с082 0, /3 (0) = 1/с082 0.
(5)
Следует отметить, что при углах 0 & gt- 40° величина поглощенной энергии преградой существенно меньше значений, получаемых с использованием аппроксимирующей функции, и зависит, в основном, от формы обломка.
1. 2
0. 8
0. 6
0. 4
0. 2
И

«
¦
ъ № й


0. 1
0. 2
0. 3
0. 4
0. 5
0. 6
а)
Отношение а! Ь
1. 2
0. 8
34
0. 6
0. 4
0. 2

_

ъ Ж!& quot-

|
0
0. 1
0. 2
0. 3
0. 4
: а! Ь
Отношение I
б)
Рис. 9. Влияние размеров пластины и обломка (а и б — что и на рис. 3)
Разрушающие сдвиговые напряжения тСДЕ, кг/мм «
Рис. 10. Влияние величины разрушающих напряжений для пластины
Варьирование размеров пластины и обломка привело к результатам, представленным на рис. 9. Аппроксимирующая функция влияния размеров пластины и обломка (малые обломки) может быть определена следующим образом:
/4 (а, Ь) = 1 при а/Ь = 0 — 0. 25- /4 (а, Ь) = 0.8 при а/Ь = 0. 25 — 0.6.
(6)
Аппроксимирующая функция влияния размеров пластины и обломка (большие обломки) может быть записана в виде:
(7)
Варьирование величины разрушающих напряжений ов для пластины показано на рис. 10. Здесь отображена зависимость поглощенной энергии от величины разрушающих напряжений сдвига, которые определяются как тсдв = 0. 6ов.
N
60
л
и
К
т
«
Е
о
с
40
20
А ав =82 кг/ мм

Недеформируемый обломок:
ав =СО 1.. ^ ! 1
¦ -м м-¦




0.1 0. 2
Отношение а/Ь
0. 3
0. 4
Рис. 11. Влияние удара деформируемым и недеформируемым обломком
Рис. 12. Пробивание обломком двух пластин
Аппроксимирующая функция влияния величины разрушающих напряжений ов для пластины может быть представлена в виде:
Епогл = Кт_, /5 =Тсдв. (8)
На рис. 11 показано сравнение поглощенной энергии при ударе деформируемым и недеформируемым обломком. Из графика следует, что до половины энергии при ударе поглощается за счет деформирования самого обломка.
Проведены расчеты пробивания ударником двух пластин, результаты которого показаны на рис. 12. Как видно из полученных данных, суммарная поглощенная энергия при ударе обломка двигателя для двух пластин меньше энергии, поглощенной при пробивании одной пластины с толщиной, равной сумме толщин двух пластин. Для такого случая эквивалентная толщина пластины равна корню квадратному из суммы квадратов толщин каждой из пластин.
Обобщение результатов расчетных исследований. Суммируя все вышеизложенное, формула расчета поглощенной энергии при ударе нелокализованным обломком двигателя может быть записана в следующем виде:
Е = К-
погл
Ьг2 т
сдв
соб20
(9)
где значение коэффициента К =1 — для больших обломков двигателя с высокой кинетической энергией и К =1.3 — для малых (рис. 13), а функция / (а, Ь) определяется выражениями (6) и (7) для больших и малых обломков соответственно.
1. 2

и ОО О
и
*(c)& lt- 0. 4
о
о
?
0
а)
1. 6
к
и 1. 2
к
•е- 0. 8
•(c)& lt-
1 0. 4
¦ К= 1
¦




20
40 60 80
Энергия обломка, кДж
100
II U)

ф






200 400
Энергия обломка, Дж
600
800
Рис. 13. Значения коэффициента К для больших обломков двигателя (а)
и для малых (б)
Разработанный метод позволяет проводить экспертные оценки соответствия конструкции Авиационным правилам и может быть использован на ранних стадиях проектирования защитных экранов.
Заключение. Данная инженерная методика для оценки энергии, поглощенной авиационной конструкцией или защитным экраном, при ударе нелокализованным обломком двигателя основана на обобщении большого объема расчетно-параметрических исследований, проведенных с использованием конечно-элементного комплекса М8С. Ву1хап.
Получены эмпирические зависимости поглощенной энергии от параметров обломков ротора двигателя: кинетическая энергия, геометрические размеры, характеристики прочности материала, угол между траекторией обломка и нормалью к пластине, а также параметров конструкции преграды: геометрические размеры и толщина, характеристики прочности материалов, количество преград. Проведен сравнительный анализ удара больших обломков ротора двигателя с высокой энергией и малых обломков с малой энергией.
Результаты расчета показали, что энергия, поглощенная преградой и обломком, растет с увеличением скорости осколочного фрагмента двигателя. В случае полного торможения ударника преградой (остаточная скорость обломка равна нулю) поглощенная энергия имеет наименьшую величину. Эта величина использовалась при определении эмпирических зависимостей для поглощенной энергии.
При соударении пластины и обломка происходит их взаимное деформирование и около половины энергии поглощается за счет деформирования самого обломка.
Инженерный метод анализа удара обломков двигателя будет уточняться в ходе дальнейших расчетных и экспериментальных исследований при варьировании большего числа параметров, как для обломков, так и для преград.
ЛИТЕРАТУРА
1. MSC. Dytran, Version 4. 0, User manual, 2005.
2. Чернов А. В. Численное моделирование процесса пробивания преграды малым обломком ротора двигателя // Труды ЦАГИ. 2005, вып. 2669.
3. Чернов А. В. Расчет прочности защитного экрана при воздействии обломков с высокой кинетической энергией в случае разрушения ротора двигателя // Труды ЦАГИ. 2007, вып. 2675.
Рукопись поступила 15/VIII2008 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой