Анализ общего напряженно-деформированного состояния в зоне соединения силовой нервюры и панели крыла

Abstract

Обеспечение назначенных ресурсных характеристик конструктивных элементов крыла достигается путем выбора конструкционных материалов, уровня расчетных напряжений, конструктивно-технологических методов повышения характеристик сопротивления усталости, как регулярных, так и нерегулярных зон конструкции. Значение и характер напряжения в конструкционных элементах значительно влияет на усталостную долговечность. Поэтому знание характера напряжений (особенно в нерегулярных зонах) дает возможность повысить ресурс конструкции. В статье было проанализировано одна из нерегулярных зон на крыле – соединение силовой нервюры и нижней панели крыла. Для построения расчетной модели была использована CAD система SIEMENS NX. Для дальнейшего анализа, модель была импортирована в CAE систему ANSYS. Были заданы все геометрические характеристики элементов конструкции рассматриваемого участка крыла (толщины, площади поперечного сечения, которые были получены при проектировочном расчете), а также присвоены соответствующие материалы (которые были выбраны для того или иного элемента из конструктивных соображений для повышения весовой эффективности и усталостной долговечности). При выпуске механизации изменяется общее напряженно-деформированное состояние консоли крыла. По мимо действия крутящего момента в следствии несовпадения центра давления и центра жесткости сечения крыла, при выпуске механизации действует дополнительное усилия, которые изменяет значения и влияние крутящего момента данного сечения крыла. Для расчетных случаев, таких как крейсерский режим, взлетный и посадочный режимы, были получены аэродинамические характеристики (в зависимости от положения механизации, скорости и высоты полета, массовых характеристик), которые в дальнейшем использовались для получения напряженно-деформированного состояния отсека консоли крыла. Рассматриваемая часть крыла была выбрана с наличием зоны предкрылка и закрылка. В ходе анализа сравнивались напряжения в панели при каждом режиме в зоне соединения нервюры и панели. Данное место имеет сложное напряженное состояние из-за действия растягивающих усилий и сдвигового потока между панелей и нервюрой. Для дальнейшего изучение усталостной долговечности в этой зоне, в зависимости от уровня нагружения, били проанализированы нормальные и касательные напряжения.

Забезпечення назначених ресурсних характеристик конструктивних елементів крила досягається шляхом вибору конструкційних матеріалів, рівня розрахункових напружень, конструктивно-технологічних методів підвищення характеристик опору втоми, як регулярних, так і нерегулярних зон конструкції. Значення та характер напружень у конструкційних елементах значно впливає на втомну довговічність. Тому, знання характеру напружень (особливо в нерегулярних зонах) дає можливість підвищити ресурс конструкції. У статті було проаналізовано одну з нерегулярних зон на крилі – з'єднання силової нервюри та нижньою панелі. Для створення розрахункової моделі була використана система CAD SIEMENS NX. Для подальшого аналізу модель була імпортована в CAE систему ANSYS. Були задані всі геометричні характеристики елементів конструкції (товщини та площі поперечного перерізу, які були отримані при проектувальному розрахунку), а так само присвоєні відповідні матеріали (які були обрані з конструктивних міркувань, тому чи іншому елементу, для підвищення вагової ефективності та втомної довговічності). При випуску механізації змінюється загальний напружено-деформований стан консолі крила. По мимо дії крутного моменту, внаслідок розбіжності центру тиску і центру жорсткості перерізу крила, при випуску механізації діє додаткове зусилля, які змінює значення і вплив крутного моменту даного поперечного перерізу крила. Для розрахункових випадків: крейсерський режим, злітний та посадковий режими були отримані аеродинамічні характеристики (залежно від положення механізації, швидкості та висоти польоту, масових характеристик), які надалі використовувалися для отримання напружено-деформованого стану відсіку консолі крила. Розглянута частина крила була обрана з наявністю зони передкрилка та закрилка. В ході аналізу порівнювалися напруги в обшивці при кожному режимі у зоні з'єднання з силовою нервюрою. Дане місце має складний напружений стан через дію зусиль, що розтягують, і зсувного потоку між панеллю і нервюрою. Для подальшого вивчення втомної довговічності в цій зоні, залежно від рівня навантаження, були проаналізовані як максимальні нормальні напруги так і дотичні напруження.

Ensuring the assigned fatigue life of the structural elements of the wing is achieved by choosing structural materials, the level of design stresses, structural and technological methods for improving the fatigue resistance characteristics, both regular and irregular zones of the structure. The value and character of local stresses in structural elements significantly affect fatigue life. Therefore, knowledge of the character of stresses (especially in irregular zones) makes it possible to increase the fatigue life of the structure. The article analyzed one of the irregular zones on the wing – joint of the rib and the lower skin. The SIEMENS NX CAD system was used to build the calculation model. For further analysis, the model was imported into the ANSYS CAE system. All geometric characteristics of structural elements were specified (thickness and cross-sectional area, which were obtained from the sizing analysis), and appropriate materials were assigned (which were chosen for each elements from design considerations to increase weight efficiency and fatigue life). When high – lift devices is used, the general stress-strain state of the wing changes. In addition to the torque moment due to the mismatch between the center of pressure and the center of rigidity of the wing section, when the high-lift devices are retracted, an additional force acts and changes the values and influence of the torque moment at specific wing section. For design cases, such as cruising, takeoff and landing, aerodynamic characteristics were obtained (depending on the position of slats and flaps, flight speed and altitude, mass characteristics), which were subsequently used to obtain the stress-strain state of the analyzed section of wing. The analyzed section of wing was chosen with the presence of a slat and flap zone. In the course of the analysis, the stresses in the skin were compared in each case near the rib-skin joint. This area has a complex stress state due to the action of tensile forces and shear flow (between the skin and the rib). For further study of fatigue life in this area, depending on the level of loading, maximum stresses and shear stresses were analyzed.