Основы метода конечных элементов. Предварительная динамическая компоновка летательных аппаратов

ПРОЧНОСТЬ  КОНСТРУКЦИИ  ЛА

Лекция  №  17.  Основы метода конечных элементов

Предварительная  динамическая компоновка летательных аппаратов

Практика проектирования ЛА показала, что недостаточная проработка вопросов аэроупругости отрицательно сказывалась на судьбе создававшихся ЛА. Чтобы значительно уменьшить степень технического риска, то есть разрабатывать ЛА, в процессе эксплуатации которого  аэроупругие явления не будут являться ограничениями для обеспечения потребных лётно-технических характеристик (ЛТХ),  необходимо  уже на ранних этапах проектирования  оценивать влияние упругости на массу ЛА и его ЛТХ.

Современные методы проектирования обеспечивают формирование математической модели динамической компоновки, позволяющей оценивать размещение сосредоточенных и распределённых масс на ЛА, а также изгибные и крутильные жёсткости основных частей ЛА. Понятие динамической компоновки связано, таким образом, с выбором упругомассовой модели ЛА. Исследование такой модели совместно с моделями для оценки аэродинамики, устойчивости и управляемости ЛА даёт возможность определять действующие на ЛА нагрузки, рассчитывать напряженно-деформированное состояние несущих и ненесущих частей ЛА. Последовательное, шаг за шагом, решение с помощью таких моделей задачи определения взаимодействия ЛА с воздушным потоком позволит оценить развитие процесса деформации конструкции ЛА во времени, т. е. динамику взаимодействия ЛА с внешней средой, и в конечном итоге оценить влияние аэроупругих явлений на ЛТХ и выявить критические скорости наиболее опасных явлений (флаттера, дивергенции и др.).

Развитие таких моделей позволяет в процессе исследований широко варьировать не только распределения масс и жёсткостей, но и геометрические параметры ЛА (формы и размеры несущих поверхностей, их взаимное расположение, размещение двигателей и т. д.). Это даёт возможность исследовать различные компоновки упругого ЛА с целью выявления наиболее рационального распределения жёсткостных характеристик силовой конструкции (при соблюдении лимита на её массу) и найти такое распределение масс агрегатов, которое обеспечивает минимизацию внешних нагрузок, действующих на ЛА. То есть в итоге можно сформулировать концепцию[1] (облик и компоновку) ЛА, обеспечивающего безусловное выполнение технического задания (ТЗ) с максимально возможной эффективностью.

Естественно, что при оценке прочности ЛА с помощью математической модели его динамической компоновки первым шагом является оценка статической прочности жесткого (недеформируемого) ЛА. Далее, поиск такого распределения материала в конструкции (распределения потребных жёсткостей при изгибе и кручении и, соответственно, масс конструктивных элементов), которое обеспечивало бы сопротивляемость (неразрушаемость) конструкции при действии статических