15 октября 2016г.
В последнее время большой интерес проявляется к упрощенной конструкции втулки несущего винта (НВ), в которой шарниры заменяются упругими элементами – торсионами. Втулки такого типа применяются на вертолетах Ка-50. При креплении лопастей к втулке посредством торсионов последние воспринимают действующие на лопасти центробежные силы и позволяют лопастям отклоняться в плоскостях взмаха и вращения, а также устанавливаться под необходимым углом атаки к плоскости вращения. Такое усовершенствование направлено на повышение ресурса работы, снижение расходов на изготовление и эксплуатацию, и улучшение качества управляемости и маневренности, особенно в сложных погодных условиях. Конструктивно втулка НВ представляет собой перекрестие двух упругих балок, закрепленных на валу НВ. Каждое из четырех ответвлений (рукавов) втулки снаружи закрыто кожухом, который кроме снижения аэродинамического сопротивления всей втулки, предназначен для передачи на лопасть НВ управляющего крутящего момента. Каждая лопасть пристыковывается к рукаву втулки через металлический переходник.
Главное принципиальное новшество втулки НВ вертолета Ансат состоит в исполнении конструкции упругого торсиона, который конструктивно выполнен как композитная балка, опрессованная из стеклоткани Т-25(ВМ)-78 на связующем 5-211Б со слоями резины Р-181. Упругодеформируемый участок изготавливается в виде балки прямоугольного сечения и состоит из чередующихся по высоте пакетов стеклопластика и листов резины, опрессованых совместно. Для уменьшения жесткости на кручение балка имеет три продольные прорези, что дает возможность использовать этот участок торсиона как осевой шарнир втулки НВ.
Для расчета напряженно-деформированного состояния торсиона использовался метод конечных элементов. На основе трехмерных соотношений теории упругости разработан новый изопараметрический многослойный трехмерный 18-узловой конечный элемент анизотропной теории упругости в виде параллелепипеда с криволинейными гранями, имеющего слоистую структуру по толщине с различными (в общем случае) механическими характеристиками каждого слоя, что значительно повышает возможность конечно- элементного моделирования пространственных конструкций из композиционных материалов, имеющих произвольную конфигурацию, сложную геометрию и произвольную ориентацию внутренних слоев, а также разработана эффективная методика решения задач расчета напряженно-деформированного конструкций из композиционных материалов на базе созданного конечного элемента как в линейной постановке, так и с учетом геометрической нелинейности, позволяющая прогнозировать поведение конструкций вплоть до их разрушения с определением зон возможного трещинообразования[1].
На основе разработанных методик и созданного программного обеспечения, позволяющего решить нелинейные пространственные задачи, получены решения ряда тестовых задач с целью исследования сходимости и точности разработанных методов и алгоритмов, проведено их сравнение с результатами статических испытаний торсионов рулевого и несущего винтов вертолета Ансат, установлена достоверность полученных решений; получены новые результаты, представляющие определенный научный и практический интерес.
Также разработана методика оценки прочности конструкций из композиционных материалов на основе феноменологических критериев прочности, учитывающих различные механизмы разрушения.
Проведен детальный анализ напряженно-деформированного и предельного состояний торсионов бесшарнирных рулевого и несущего винтов вертолета Ансат при действии различных нагрузок и обнаружены зоны, где условия прочности не удовлетворительны и близки к критическим значениям.
Приводятся результаты расчетно-экспериментальных исследований торсиона НВ с учетом внутренних дефектов, которые могут образоваться в процессе его изготовления и эксплуатации. Показано влияние различных типов дефектов на жесткостные характеристики торсиона при приложении тестовых нагрузок, установлены допустимые размеры дефектов.
Проведенные с помощью разработанных методик исследования позволили дать конкретные рекомендации разработчикам и выполнить грамотно доводку конструкции по снижению уровня концентрации напряжений и предложить некоторую модернизацию конструкции, что в итоге способствовало повышению прочности и усталостной долговечности торсиона.
Разработанная математическая модель втулки НВ, а также модель композитной лопасти НВ, созданные с использованием разработанных конечных элементов, использовались также для расчета системы управления несущим винтом вертолета Ансат с учетом податливости лопасти и втулки, что значительно расширяет возможности конструктора при проектировании несущей системы.
Список литературы
1. Голованов А.И., Митряйкин В.И., Шувалов В.А. Механика бесшарнирных винтов вертолета. Казань. Издательство Казанского университета, 2015.-260с.
