Анализ массовых характеристик материалов конструкции фюзеляжа летательного аппарата
DOI:
https://doi.org/10.22213/2413-1172-2022-1-44-52Ключевые слова:
алюминиево-литиевые сплавы, слоистые металлополимерные материалы, композиционные материалы, органопластики, углепластики, оптимизация топологииАннотация
Проанализированы теоретические формулы расчета массы фюзеляжа летательного аппарата, определены параметры, влияющие на итоговую массу конструкции: геометрические и физические характеристики силового набора, зависящие от прочности, плотности и жесткости материала элементов силового набора. Рассмотрены преимущества весовых и прочностных характеристик композиционных материалов и новейших конструкционных сплавов над характеристиками традиционных материалов, которые применяются в авиа- и ракетостроении при проектировании летательных аппаратов. Проведено сравнение и анализ нескольких типов композиционных материалов, а также алюминиевых сплавов третьего поколения с химическим составом, улучшенным за счет легирования более легким литием, по критериям плотности, прочности, текучести и жесткости. Рассмотрено и проанализировано влияние применения различных современных конструкционных материалов с уменьшенной плотностью и увеличенной прочностью на массу конструкции фюзеляжа летательного аппарата. Приведены результаты аналитических расчетов ряда авторов научных публикаций, в которых показывается существенное уменьшение массы конструкции фюзеляжа при использовании композиционных материалов вместо традиционных металлических конструкционных сплавов, таких как Д16-T и АА2124. Рассмотрена эффективность способа дополнительного снижения массы конструкции из композиционных материалов путем оптимизации топологии силовых элементов конструкции - метода оптимизации распределения конструкционного материала для создания несущей конструкции. Метод заключается в подборе геометрических размеров и форм силовых элементов, при которых расход материала, следовательно, и итоговая масса конструкции оказываются наименьшими при сохранении прочностных характеристик конструкции. По итогам анализа результатов проведенного исследования сделан вывод о преимуществе механических и весовых свойств полимерных композиционных материалов, армированных углеродным или органическими волокнистыми наполнителями над облегченными алюминиевыми сплавами третьего поколения и слоистыми металлополимерными материалами. Результаты проанализированных исследований также подтверждают сделанные выводы: возможно снижение веса конструкции фюзеляжа на 29,9 %, а предложенная в качестве дополнительной меры по снижению массы оптимизация топологии силовых элементов теоретически позволит снизить материалоемкость конструкции из композитов, уменьшив тем самым ее массу еще примерно на 18 %.Библиографические ссылки
Schwinn D.B., Weiand P., Buchwald M. Rotorcraft fuselage mass assessment in early design stages. CEAS Aeronaut J., 2021, no. 12, pp. 307-329. https://doi.org/10.1007/s13272-021-00492-z
Шейнин В. М., Козловский В. И. Весовое проектирование и эффективность пассажирских самолетов. Т. 1. Весовой расчет самолета и весовое планирование. М. : Машиностроение, 1977. 344 с.
Abd El-Aty A., Xu Y., Guo X., Zhang S.-H., Ma Y., Chen D. Strengthening mechanisms, deformation behavior, and anisotropic mechanical properties of Al-Li alloys: A review. J. of Advanced Research, 2018, no. 10, pp. 49-67. https://doi.org/10.1016/j.jare.2017.12.004
Dorin Thomas, Vahid Alireza, Lamb Justin. Aluminium lithium alloys. Fundamentals of aluminium metallurgy: recent advances. Duxford, Wood head Publ., 2018, pp. 387-438. DOI:10.1016/B978-0-08-102063-0.00011-4.
Моделирование напряженного состояния в осесимметричной оболочке с учетом анизотропных свойств композиционного материала / Ю. В. Васильевич, Е. Ю. Неумержицкая, Л. Н. Беляцкая [и др.] // Теоретическая и прикладная механика. 2020. № 35. С. 30-36.
Lüders C. Nonlinear-Elastic Orthotropic Material Modeling of an Epoxy-Based Polymer for Predicting the Material Behavior of Transversely Loaded Fiber-Reinforced Composites. J.Compos. Sci., 2020, 4, 46.
Попов Д. Ю., Махортов Д. С., Ротарь Г. А. Армирование композитов, созданных с учетом закона сродства структур // Фундаментальные основы строительного материаловедения : сборник докладов Международного онлайн-конгресса (Белгород, 06-11 октября 2017 г.). Белгород : Белгородский государственный технологический университет имени В. Г. Шухова, 2017. С. 702-708.
Смотрова С. А., Смотров А. В, Симонов-Емельянов И. Д. Полимерные композиционные материалы на основе высокопрочных и высокомодульных волокон для высоконагруженных конструкций летательных аппаратов // Конструкции из композиционных материалов. 2016. № 1 (141). С. 41-50.
Soutis C., Yi X., Bachmann J. How green composite materials could benefit aircraft construction. Sci. China Technol. Sci., 2019, 62, 1478-1480. https://doi.org/10.1007/s11431-018-9489-1
Bachmann J., Yi. X., Tserpes K., Sguazzo C., Barbu L.G., Tse B., Soutis C., Ramón E., Linuesa H., Bechtel S. Towards a Circular Economy in the Aviation Sector Using Eco-Composites for Interior and Secondary Structures, Results and Recommendations from the EU, China Project ECO-COMPASS. Aerospace, 2021, no. 8, p. 131. https://doi.org/10.3390/aerospace8050131
Hiken A. The Evolution of the Composite Fuselage: A Manufacturing Perspective. Aerospace Engineering, 2019. doi:10.5772/intechopen.82353
Alshamma, Fathi & Kadhim, Mustafa. Optimization of delamination resistance of vacuum infused glass laminate aluminum reinforced epoxy (GLARE) using various surface preparation techniques. Periodicals of Engineering and Natural Sciences (PEN), 2022. http://dx.doi.org/10.21533/pen.v10i1.2621
Chen Y., Wang Y. and Wang Hui. Research progress on interlaminar failure behavior of fiber metal laminates. Advances in Polymer Technology, 2020, pp. 1-20. https://doi.org/10.1155/2020/3097839
Wanhill R.J.H. GLARE®: A Versatile Fibre Metal Laminate (FML) Concept. In: Aerospace Materials and Material Technologies. Indian Institute of Metals Series. Singapore, Springer, 2017. https://doi.org/10.1007/978-981-10-2134-3_13
Ucan H., Scheller J., Nguyen C., Nieberl D., Beumler T., Haschenburger A., Meister S., Kappel E., Prussak R., Deden D., Mayer M., Zapp P., Pantelelis N., Hauschild B., Menke N. Automated, Quality Assured and High Volume Oriented Production of Fiber Metal Laminates (FML) for the Next Generation of Passenger Aircraft Fuselage Shells. Science and Engineering of Composite Materials, 2019, no. 26, pp. 502-508. https://doi.org/10.1515/secm-2019-0031
Kalfountzos C.D., Bikakis G.S.E., Theotokoglou E.E. Buckling of simply supported GLARE cylindrical panels subjected to uniform compression, in Proceedings of the 6th International Virtual Conference of Engineering Against Failure, ICEAF VI, 23-25, June 2021. https://doi.org/10.1051/matecconf/202134901004
Kalfountzos C.D., Bikakis G.S.E., Theotokoglou E.E. Impact of structural uncertainties on the buckling strength of cylindrical GLARE panels subjected to uniform compression. Proc. of the 6th International Virtual Conference of Engineering Against Failure, ICEAF VI, 23-25, June 2021. https://doi.org/10.1051/matecconf/202134901003
Слоистые металлополимерные материалы в элементах конструкции воздушных судов / Н. Ю. Подживотов, Е. Н. Каблов, В. В. Антипов [и др.] // Перспективные материалы. 2016. № 10. С. 5-19.
Слоистые гибридные материалы на основе листов из алюминиево-литиевых сплавов / В. В. Антипов, Н. Ю. Серебренникова, В. В. Шестов, В. В. Сидельников // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 212-224. DOI:10.18577/2071-9140-2017-0-S-212-224
Возможности применения алюмостеклопластиков в обшивках фюзеляжа самолета / В. В. Антипов, В. В. Сидельников, С. В. Самохвалов [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18, № 1. С. 77-82.
Abouhamzeh M., Nardi D., Leonard R., Sinke J. Effect of prepreg gaps and overlaps on mechanical properties of fibre metal laminates.Composites, Part A: Applied Science and Manufacturing, 2018, vol. 114, pp. 258-268. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2018.08.028
Высокопрочный слоистый материал на основе листов из алюминийлитиевого сплава / В. В.Шестов, В. В. Антипов, Н. Ю. Серебренникова, Ю. Н. Нефедова // Технология легких сплавов. 2016. № 1. С. 119-123.
Железина Г. Ф., Гуляев И. Н., Соловьева Н. А. Арамидные органопластики нового поколения для авиационных конструкций // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 368-378. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-368-378
Hassan, Shukur J.S., Binoj Goh, Kheng-Lim Mansingh, Brailson K.C., Varaprasad Yahya, Mohd Othman, Faten Ahmed, Usaid Nurhadiyanto, Didik Mujiyono, Mujiyono Wulandari, A.P. Effect of fiber stacking sequence and orientation on quasi - static indentation properties of sustainable hybrid carbon/ramie fiber epoxy composites. Current Research in Green and Sustainable Chemistry, 2022, vol. 5. https://doi.org/10.1016/j.crgsc.2022.100284
Клеевые препреги - перспективные материалы для деталей и агрегатов из ПКМ / К. Е. Куцевич, Л. А. Дементьева, Н. Ф. Лукина, Т. Ю. Тюменева // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 8. С. 379-387.
Lin Htet Tun. Structural analysis and topology design optimization of load bearing elements of aircraft fuselage structure. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020. DOI:10.1088/1757-899X/709/4/044113
Boldyrev A.V., Kozlov D.M., Pavelchuk M.V. Evaluation of Anisogrid Composite Lattice Structures Weight Effectiveness Using the Load-Carrying Factor. Procedia Engineering, 2017, vol. 185, pp. 153-159.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2022 Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
