Разработка рациональной конструкции БПЛА 7
1.1 Особенности проектирования конструкции БПЛА 7
1.2 Компоновочная схема 8
1.3 Внешние нагрузки 11
1.4 Расчетные прочностные модели 13
1.4.1 Требования к прочностной модели 13
1.4.2 Программный комплекс “Conver” 14
1.4.3 Создание модели 15
1.5 Результаты расчетов НДС конструкции БПЛА 19
1.6 Рациональные параметры КСС фюзеляжа 24
2 Параметрические исследования прочности искривленного центроплана 26
2.1 Создание параметрической модели центроплана 26
2.2 Расчет параметрической модели 27
3 Выбор рациональной конструкции крепления хвостовой части фюзеляжа
к кессону центроплана 31
3.1 Определение рациональной дискретности модели 32
3.2 Сравнение моделей 33
В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом всё большее внимание уделяется созданию различных типов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) [1].
Различными компаниями разработаны и практически реализованы многочисленные проекты БПЛА, предназначенные для решения различного рода задач как для гражданских, так и для военных задач. На Рис.1 представлены некоторые из существующих БПЛА с указанием их предназначения.
Для достижения многих практических целей (воздушная разведка и наблюдение, обеспечение связи и мониторинг состояния, доставка и десантирование грузов и другие) использование беспилотных летательных аппаратов может обеспечить преимущество в стоимости эксплуатации и в достижении технических показателей по сравнению с пилотируемыми ЛА. Это связано с тем обстоятельством, что беспилотные ЛА проектируются с учетом менее жестких требований и ограничений, чем пилотируемые ЛА, в частности для них:
• могут быть установлены иные требования по безопасности конструкции;
• не требуется систем поддержания работоспособности и жизнеобеспечения экипажа;
• могут быть сняты ограничения на некоторые режимы полета.
Благодаря этому БПЛА имеют большой потенциал для разработки для них легких и дешевых конструкций планера, что позволяет успешно решать многие технические задачи, недоступные для пилотируемых летательных аппаратов.
Как было сказано выше, одной из основных задач беспилотных самолетов является воз-душные разведка и наблюдение. Такие самолеты предназначены для продолжительного (до 36 часов для RQ-4 “Global Hawk”) барражирования без дозаправки, что накладывает
на конструкцию самолета высокие требования к весовой эффективности и к аэродинамическому качеству.
Для БПЛА, предназначенных для выполнения военных задач, большую роль также играет малозаметность БПЛА. Требования высоких аэродинамических характеристик и малозаметности накладывают на конструкцию БПЛА ряд ограничений на геометрические параметры; в частности конструкция БПЛА должна иметь минимально возможную строительную высоту, а также иметь обтекаемые обводы. (примеры таких БПЛА приведены на Рис.2). Для достижения высокого аэродинамического качества конструкции таких ЛА должны иметь крыло большого удлинения, интегрированное с несущим фюзеляжем. Однако использование крыльев большого удлинения неизменно влечет за собой появление больших изгибающих моментов в корневой части крыла и в центроплане.
Необходимость уменьшения строительной высоты БПЛА в свою очередь приводит к возникновению проблемы обеспечения высокой степени интеграции двигателя и центроплана.
Одним из вариантов решения такой интеграционной задачи может служить компоновочная схема БПЛА-ЦАГИ, разработанная в НИО-10, в которой двигатель с возду-хозаборником максимально утоплен в конструкции корпуса БПЛА. На Рис.3 показана центральная часть (кабина) данного ЛА. Компоновку БПЛА-ЦАГИ отличают хорошие аэродинамические характеристики и низкие характеристики заметности [2]. Из рисунка видно, что при создании такой компоновочной схемы разработчикам пришлось отказаться от традиционной конструкции центроплана с постоянным поперечным сечением в пользу изогнутого центроплана с переменным поперечным сечением.
На Рис.4 схематично показано поперечное сечение корпуса БПЛА с данной компоновочной схемой.
При использовании такого решения хорошо выполняются требования малозаметности и требования аэродинамического качества [2], но появление искривления конструкции центроплана может существенно ухудшить прочность центроплана, что в свою очередь может стать причиной повышения веса конструкции. Для исследования вопроса влияния искривления центроплана на прочностные и весовые характеристики конструкции планера необходимо провести сравнительный анализ прочности конструкции данного БПЛА с искривленным и прямым центропланом и на основе этих исследований выполнить сравни-тельный весовой анализ. Для успешного сравнительного анализа прочности данной конструкции необходим комплексный подход к решению данной прочностной задачи, включая учет влияния аэроупругости на перераспределение внешних нагрузок и учет перераспределения потоков усилий внутри конструкции для различных конструктивно-силовых схем(КСС).
Для решения поставленной задачи в работе помимо исследования прочности гипотетической конструкции БПЛА проведено концептуальное исследование на упрощенной МКЭ модели зависимости весовых, прочностных и жесткостных характеристик конструкции от геометрических параметров, определяющих форму искривленного центроплана, что позволило сформировать задел для дальнейшего (в рамках продолжения данной работы) решения многодисциплинарной задачи по улучшению компоновочного решения проектируемого БПЛА с учетом возможного изменения внешней геометрии.
Для проведения исследований прочности и выполнения весового анализа в работе был использован комплекс программ, разработанный в НИО-3 ЦАГИ, предназначенный для решения подобных проектировочных задач на основе параметрической МКЭ-модели.
В работе сформирована параметрическая МКЭ-модель гипотетической конструкции БПЛА - близкой по набору базовых параметров конструкции БПЛА-ЦАГИ. На основе этой модели были проведены все необходимые параметрические расчетные исследования. Полученная модель может быть в дальнейшем модифицирована и использована для решения более общей многодисциплинарной задачи по выбору рациональной компоновочной схемы на основе выбора оптимального компромиссного решения по условиям аэродинамики и прочности. В работе проведены предварительные валидационные исследования модели. Проведены предварительные весовые оценки гипотетической конструкции БПЛА для альтернативной КСС.
В работе сформированы основные базовые требования к проведению многодисциплинарного проектирования перспективной гипотетической конструкции БПЛА с крылом большого удлинения и криволинейной формой центроплана.
Была обоснована необходимость:
• использования параметрической МКЭ-модели большой размерности всей конструкции БПЛА;
• решения модельной задачи по определению зависимости веса конструкции БПЛА от геометрических параметров, определяющих форму искривленного центроплана;
• выбора рациональной КСС корневой части кабины БПЛА в зоне крепления двигателя.
Построена параметрическая МКЭ-модель большой размерности гипотетической конструкции БПЛА для проведения проектировочных исследований по поиску рациональных проектных параметров конструкции, обеспечивающих минимальные весовые характеристики гипотетической конструкции БПЛА при удовлетворении условий по прочности.
Созданная модель позволяет проводить исследования прочности конструкции гипоте-тического БПЛА как для металлических, так и для композиционных конструкционных материалов (в бакалаврской работе были рассмотрены только металлические варианты конструкции). При построении конечно-элементной модели использовались коммерческие программные комплексы: patran, nastran, а также программные комплексы, разработан¬ные в ЦАГИ: CONVER и др. Проектировочная модель включала в себя свыше 30 базовых варьируемых параметров.
Найдена рациональная размерность конечно-элементной модели с характерным размером конечного элемента, равным 0.11м, и количеством конечных элементов около 200000.
Валидационные исследования, проведенные в рамках параметрической МКЭ-модели, подтвердили ее высокую точность при определении параметров локального НДС, а также хорошее соответствие результатов расчетов с использованием этой параметрической моде¬ли с результатами, полученными на альтернативных моделях и МКЭ-модели конструкции БПЛА-ЦАГИ.
Решена модельная задача по определению зависимости веса конструкции искривленного центроплана от базовых геометрических параметров, определяющих форму центроплана: максимальной строительной высоты центроплана и параметра, характеризующего кривизну центроплана (расстояние от средней горизонтали ЛА до нижней точки сечения). Получены рациональные значения этих базовых параметров, реализующие минимум веса конструкции центроплана. Соответствующие параметры равны: уотн = 0м, hCTp = 1.4м. Представлены результаты (весовые характеристики конструкции центроплана) для 42 комбинаций исследуемых базовых параметров, которые могут быть использованы в дальнейшем для решения многодисциплинарной проектировочной задачи с включением в варьируемые проектировочные параметры величин, характеризующих изменение геометрических параметров, формирующих внешние обводы.
Проведены сравнительные весовые исследования трех альтернативных КСС гипотети-ческой конструкции с различными силовыми элементами конструкции, обеспечивающих крепление к центроплану хвостовой части. Была определена величина максимального размера КЭ, используемого в модели, обеспечивающая рациональное соотношение точности расчета и трудоемкости процесса расчета, равная 0.11м. Были сформированы три МКЭ-модели для альтернативных КСС гипотетической конструкции. На основе сформированных моделей был проведен поиск рациональных толщин панелей для удовлетворения условиям прочности для каждой из моделей. Получены сравнительные весовые характеристики альтернативных КСС гипотетической конструкции. Найден оптимальный из предложенных вариант КСС (Вариант 3 в разделе 3.2, Рис.3.2в).
Решения, полученные в данной работе для конструкции гипотетического БПЛА, были использованы в практической работе по проектированию конструкции БПЛА-ЦАГИ.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
