Державний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

Спеціалізована вчена рада Д64.062.03

Онгірський Генріх Генріхович

УДК 629.7.02: 656.7.084

ЛОКАЛЬНА МІЦНІСТЬ КОНСТРУКТИВНИХ

ЕЛЕМЕНТІВ ПАСАЖИРСЬКИХ І ТРАНСПОРТНИХ

ЛІТАКІВ ПРИ ЗІТКНЕННІ З ПТАХАМИ

Спеціальність 05.07.03 – міцність літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Харків 2000

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Державному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: Доктор технічних наук, професор

Ківа Дмитро Семенович, АНТК “Антонов”,

Перший заступник Генерального конструктора

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, ст. науковий співробітник

Шупіков Олександр Миколайович,

Інститут проблем машинобудування

НАН України, заступник директора з наукової роботи

Кандидат технічних наук, доцент

Гребеніков Олександр Григорович,

Державний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, доцент

Провідна установа: Дніпропетровський державний університет,

Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться 22 вересня 2000 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.03 в Державному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” за адресою: 61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, 61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розіслано 20 серпня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.А. Шеломов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. В усьому світі безперервно зростають обсяги пасажирських і транспортних перевезень повітряними суднами, спостерігається тенденція до збільшення ресурсу та термінів експлуатації цивільних літаків та все вищими стають вимоги до безпеки польоту.

У зв’язку з цим у всіх керівних документах з сертифікації та експлуатації повітряних суден країн із розвиненою авіаційною промисловістю передбачаються особливі вимоги до регламентації пошкоджень від удару птахом.

Ця проблема пов’язана не лише безпосередньо з економічним аспектом, але й з безпекою екіпажу та пасажирів, бо у випадку катастрофи буде мати місце непоправна втрата від загибелі людей.

Незважаючи на те, що проблемою небезпеки птахів для літаків займається спеціальна міжнародна організація ЕКОПС, яка вивчає як орнітологічні аспекти, так і інформаційні, а також проблеми стійкості до ударів птахів конструкцій повітряних суден, останні не знайшли у світовій та вітчизняній практиці вирішення.

У зв’язку з цим дослідження локальної міцності конструктивних елементів повітряних суден при їх зіткненні з птахами є актуальними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є складовою частиною всіх досліджень і ДКР, які проводились в АНТК “Антонов” на протязі понад 20 років в рамках Державних і галузевих програм, що були виконані за Постановами Уряду.

Мета та задачі дослідження. Мета дисертації – підвищення безпеки експлуатації повітряних суден шляхом розробки, експериментальної апробації та впровадження в практику проектування пасажирських і транспортних літаків інженерних методів визначення локальної міцності при зіткненні з птахами в регламентованих умовах експлуатації.

Для досягнення цієї мети в роботі були сформульовані та вирішені наступні задачі:

- розробити наближену інженерну методику визначення критичної швидкості пошкоджуваності агрегату літака при зіткненні з птахом;

- створити математичні моделі деформування та руйнування птаха при його співударянні з перешкодою, які враховують багатофункціональні особливості тканин біологічних систем;

- на основі запропонованих математичних моделей розробити уточнену методику визначення зони локального ушкодження типових конструктивних елементів в залежності від енергетичних параметрів процесу співударяння;

- провести експериментальну перевірку теоретичних моделей і методик;

- впровадити результати дослідження в практику розрахунку на міцність типових елементів пасажирських і транспортних літаків з урахуванням їхньої птахостійкості.

Об’єктом дослідження є локальна міцність конструктивних елементів літака при зіткненні з птахами.

Предметом дослідження є розробка математичних моделей процесу співударяння птаха з перешкодою і методик визначення динамічних і енергетичних параметрів процесу співударяння, які наперед визначають зону локального пошкодження конструкції.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились на основі динамічних методів механіки деформівного твердого тіла, енергетичних методів аналізу біологічних систем, теорії подібності і розмірностей, сучасними програмними скінченоелементними комплексами. Експериментальні результати отримані на базі стендових динамічних випробувань.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

1. Розроблена інженерна методика оціночного визначення критичної швидкості пошкоджуваності агрегатів літака при зіткненні з птахами, яка побудована на теорії розмірностей і вперше дозволила проаналізувати досліджуємий процес, виходячи не з раніше відомих окремих емпіричних залежностей, а з позицій загальних теоретичних уявлень про внесок кожного параметра процесу до критичної швидкості пошкоджуваності агрегату.

2. Запропонована математична модель деформування тушки птаха як єдиного цілого в процесі співударяння з перешкодою, що базується на представленні тушки пружнім сферичним тілом із середньостатистичними параметрами щільності та фізико-механічними характеристиками, яка дозволила одержати функціональну залежність зусилля співударяння від глибини вторгнення та тривалості процесу.

3. Вперше на основі аналізу морфофунукціональних особливостей тканин біологічних систем запропонована та розроблена математична модель енергетичного стану тушки птаха в процесі співударяння, яка враховує механічні особливості основних типів тканин і характеру їх руйнування.

4. На основі моделі отримано аналітичну залежність для енергії внутрішнього руйнування компонентів і тушки в цілому, що дозволило з врахуванням експериментальних даних встановити відносну долю енергії руйнування тушки птиці в кінетичній енергії співударяння. Отримані результати вперше дозволили провести всебічний аналіз процесу співударяння з врахуванням деформування та руйнування перешкоди.

5. Розроблена нова уточнена методика визначення зони локального пошкодження типових конструктивних елементів в залежності від енергетичних параметрів процесу співударяння.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

- методика оціночного визначення критичної швидкості співударяння, що дає розходження з експериментом менш ніж 10%, дозволяє значно скоротити витрати на експериментальні дослідження, так як дає можливість оцінити вплив всього комплексу параметрів при використанні лише однієї серії дослідів, яка не перевищує 2-3 випробування;

- нова уточнена методика визначення зони локального руйнування перешкоди задовільно узгоджується з результатами експерименту, дозволяє розробляти ефективні за птахостійкістю типові конструктивні рішення найбільш ймовірних зон зіткнення агрегатів літака з птахами;

- розроблений комплексний дослідницький стенд для випробувань авіаконструкцій на пошкоджуваність при зіткненні с птахами забезпечує проведення надійних експериментальних досліджень птахостійкості в усьому діапазоні критичних швидкостей співударяння характерних для пасажирських і транспортних літаків;

- нові методики визначення пошкоджуваності повітряних суден при їх зіткненні з птахами експериментально апробовані і разом з рекомендаціями впроваджені в АНТК “Антонов”, прийняті до використання на ЗМКБ “Прогрес” ім. академіка О.Г. Івченко, АНТК “Іллюшин” (Росія) і ЦАГІ ім. проф. М.Є. Жуковського.

Особистий внесок здобувача. Основна частина ідей, теоретичних і практичних результатів дисертації належить особисто автору.

Експериментальні розробки і впровадження виконані спільно з співробітниками АНТК “Антонов”, прізвища яких наведені у переліку публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, розділи та результати роботи доповідались на Міжнародному симпозіумі з проблем транспортної авіації (м. Київ, 1991 р.); на міжнародній конференції “Експериментальне обладнання та сертифікація авіаційної техніки” в ЦАГІ ім. М.Є. Жуковського (м. Жуковський, Росія. 1995 р.); на міжнародній зустрічі корпорації “Боінг” (Каліфорнія, 1999 р.); на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу Державного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (м. Харків, 1995 – 1998 р.); на НТР і науково-технічних конференціях АНТК “Антонов” (м. Київ, 1990 – 1999 р.).

Публікації. Основний зміст роботи опубліковано в 6 статтях (5 особисто автора) в збірниках наукових праць фахових видань Переліку №1 ВАК України (бюл. №1, 1999 р.).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, викладена на 157 сторінках, містить 63 рисунки, 19 таблиць та список використаних джерел з 112 найменувань.

СТИСЛИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, її наукова новизну, практична значимість, особистий внесок автора, вказано відомості про апробацію, публікації та структуру дисертації.

В першому розділі проведені огляд і аналіз проблем локальної міцності конструктивних елементів літаків при зіткненні з птахами, статистичний аналіз, розкриті особливості та проблеми для пасажирських і транспортних літаків, сформульовані мета та задачі дослідження.

Другий розділ присвячений розробці інженерної методики визначення критичної швидкості пошкоджуваності агрегатів літака при зіткненні з птахом.

В основу математичної моделі співударяння були покладені методи подібності та розмірностей. З параметрів ударного процесу для аналізу та моделювання були складені безрозмірні комплекси:

; ; ; ;

; ; ; , (1)

де - граничний прогин перешкоди в момент руйнування;

- початкова швидкість зустрічі птаха з перешкодою і час співударяння;

- радіус кривизни, товщина та циліндрична жорсткість перешкоди;

- границя міцності та модуль пружності матеріалу перешкоди;

- маса, щільність і приведений діаметр птаха, який вважається

сферичним тілом.

Виражаючи комплекси (1) через функціональні співвідношення

; ;

; (2)

де - контактна сила; - поточні значення параметрів і, вважаючи, що пробиванню перешкоди відповідає умова , для степеневих функцій

одержуємо для визначення критичної швидкості

; (3)

де - константа, яка визначається разом з параметрами показників степеня експериментально.

Для визначення і показників степеня були поставлені серії експериментів на модельних перешкодах з алюмінієвої фольги і кальки, які руйнувались киданням з різних висот кульками різної маси (діаметру та щільності).

Результати експериментів порівнювались з прогнозуємими відомими емпіричними залежностями (рис.1).

Рис.1.

Деякі експериментальні та теоретичні значення критичної швидкості удару при випробуваннях модельних зразків наведені також в таблиці 1.

Таблиця 1. Порівняння експериментальних і теоретичних

значень критичної швидкості удару.

№

з/п |

Матеріал | Маса кульки

(г) | Товщина перешкоди

(мм) | Границя

міцності

(МПа) | Висота падіння (м) | Швидкість удару (м/с)

Експер. | Теорія

1. | Фольга АМг2-Н | 12,2 | 0,03 | 220 | 1,22 | 4,89 | 4,02

2. | Фольга АМг2-Н | 2,2 | 0,03 | 220 | 2,5 | 7,0 | 7,11

3. | Фольга АМг | 12,2 | 0,015 | 118 | 0,25 | 2,21 | 2,31

4. | Фольга АМг | 12,2 | 0,012 | 93 | 0,2 | 1,98 | 1,9

5. | Калька | 12,2 | 0,035 | 38,5 | 0,22 | 2,08 | 2,43

6. | Калька | 2,2 | 0,035 | 38,5 | 0,9 | 4,2 | 4,3

Як видно з рис.1 і табл.1 різниця теоретичних і експериментальних значень не перевищує 10%.

На основі проведених експериментів була розроблена загальна модель для оцінки , з якої витікають залежності:

для плоскої перешкоди , (4)

для криволінійної перешкоди , (5)

де (6)

Тут радіус кривизни перешкоди в м.

Аналіз одержаних у розділі результатів показав необхідність побудови уточнених моделей птаха і розробки на їх основі методики дослідження процесу та виявлення картини руйнування перешкоди.

Третій розділ присвячений розробці моделі деформування та руйнування птаха при його співударянні з перешкодою.

Модель деформування птаха при ударі в жорстку перешкоду без врахування енергетичних змін в процесі співударяння в геометричному аспекті представляє собою тіло, яке складається з частини сфери радіусом і контактної площини радіусом (Рис.2).

Контактний тиск пов’язаний з деформацією поблизу площини контакту співвідношенням , (7) в якому константи отримані обробкою експериментальних даних для біологічних тканин.

Залежність сили співударяння від величини

вторгнення птаха одержана у вигляді:

(8)

З врахуванням (8) одержано диференційне рі-

вняння руху центру мас птаха

Рис. 2 (9)

Залежність від часу , одержана шляхом чисельної реалізації рішення (9) для різних швидкостей співударяння і мас птаха показано на рис. 3.

При побудові моделі закритичного стану тушки птаха в процесі його співударяння з перешкодою прийнято такі припущення:

- повне руйнування всіх біологічних компонентів тушки у всьому діапазоні кінетичних енергій співударяння не залежить від величини кінетичної енергії птаха;

- в процесі удару відбувається незалежне руйнування основних біологічних компонентів тушки за найбільш ймовірними механізмами для кожного компонента в момент досягнення в них граничних напружень;

- діаграми деформування кожного компонента лінійні;

- енергія руйнування всіх основних компонентів підсумовується за правилом сумішей:

, (10)

де - границі міцності та граничні деформації кісток, зв’язок, сухожиль; - об’ємна доля кісток, зв’язок і сухожиль в біологічній системі.

а б в

Рис. 3. Залежність сили співударяння птаха з перешкодою

від часу співударяння.

а - 1 кг; б - 1,8 кг; в - 2,5 кг;

1 - 85 м/с; 2 - 100 м/с; 3 - 140 м/с.

Аналіз даних за характеристиками біологічних компонентів дозволив синтезувати емпіричну залежність для визначення відносної долі енергії внутрішнього руйнування тушки птаха в кінетичній енергії птаха при ударі в перешкоду :

, (11)

де -параметр, що характеризує змінення енергії.

Одержані в розділі результати дозволяють провести поглиблений аналіз процесу співударяння птаха з врахуванням його деформування та внутрішнього руйнування.

В четвертому розділі розроблена уточнена методика визначення зони пошкоджуваності агрегату літака при критичній швидкості зіткнення з птахом.

З рішення інтегрального рівняння, яке описує процес співударяння пружнього тіла і пластини, були одержані залежності зусилля співударяння деформівного птаха з пружною перешкодою від тривалості удару . Аналіз максимальних значень цих зусиль показав, що вони на порядок перевищують значення, які спостерігаються в експерименті.

Це свідчить про те, що уточнений аналіз процесу співударяння та його післядії треба проводити з врахуванням витрат енергії удару, пов’язаних з механізмом внутрішнього руйнування біологічних компонентів птаха (кісток, м’яз, зв’язок і т. і.).

Кінетична енергія птаха в момент удару представлена у вигляді:

, (12)

де - робота внутрішнього руйнування елементів тушки птаха;

, , , - відповідно енергія деформування перешкоди та робота по її переміщенню, енергія деформування тушки птаха та робота по переміщенню його центру мас при деформуванні.

Прийняття ряду припущень дозволило одержати складові у вигляді:

, , , , , (13)

де , - товщина перешкоди і площа контакту при навантаженні;

- максимальне переміщення поверхні контакту;

- константи птаха, які визначені у розділі 3;

=0,9826 – відносна доля енергії внутрішнього руйнування в кінетичній

енергії птаха.

Виходячи з енергетичного балансу (12) була розроблена методика і алгоритм визначення з врахуванням енергії внутрішнього руйнування птаха, реалізація якого дозволила одержати залежності , наведені на рис. 4.

Рис. 4. Залежність Рис. 5. Залежність

(плоска перешкода): (криволінійна перешкода),

1 - =1 кг(¦); 2 - =1,5 кг(^); =1,8 кг(?).

3 - =1,8 кг(?); 4 - =2,5 кг(Ў).

Характер деформування плоскої та криволінійної перешкод при навантаженні їх зусиллям =1000 Н (матеріал Д16, =72 ГПа, =450 МПа, 62 мм, =70 мм, 2,42 мм), одержаний при реалізації за методом скінчених елементів, показано на рис. 6.

Залежності рис.4 і 5 добре узгоджуються з експериментальними даними.

Реалізація запропонованої методики на ЕОМ з використанням програмних комплексів МКЕ дозволяє достатньо точно визначити розміри зон і характер пошкодження агрегату при критичній швидкості зіткнення літака з птахом.

а

б

Рис. 6. Характер деформування плоскої (а) і криволінійної (б) перешкод.

Рис. 7. Схема випробувального стенду.

Рис. 8. Залежність швидкості співударяння від тиску в ресивері.

У п’ятому розділі описана методика вибору геометричних і енергетичних параметрів комплексного дослідницького стенду для випробувань конструкцій літаків на птахостійкість, конструкція спроектованого та створеного стенду (рис.7), на якому були проведені контрольні серії стрільб свіжо зарізаними курами та їх імітаторами – снарядами з гуми, результати яких задовільно узгоджуються з теоретичними розділу 2 (рис.8).

В розділі описані методика та результати випробувань на птахостійкість агрегатів літаків Ан-28, Ан-70 и Ан-72. Показано, що розміри зон пошкоджень і характер руйнування задовільно узгоджуються з теоретично прогнозуємими, якщо місце зіткнень не має суттєвих конструктивних особливостей, які не враховуються розрахунковими схемами перешкоди. Описані результати впровадження дисертації на АНТК “Антонов”, ЗМКБ “Прогрес” ім. О.Г. Івченко, АНТК “Ільюшин” (Росія) і в ЦАГІ ім. проф. М.Є. Жуковського.

ВИСНОВКИ

1.

2.

Ці результати виявляють принципові особливості удару тушкою в порівнянні з ударом жорстким тілом і вперше дозволили провести повний аналіз процесу співударяння з врахуванням деформування та руйнування обох об’єктів співударяння.

3.

4.

5.

6.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНІ В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

АНОТАЦІЯ

Онгірський Г.Г. Локальна міцність конструктивних елементів пасажирських і транспортних літаків при зіткненні з птахами. Дисертація є рукописом, представленим на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.03 – міцність літальних апаратів. Державний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків 2000 р.

Дисертацію присвячено розробці теоретичних основ локальної міцності елементів конструкцій при зіткненні з птахами.

Містить теоретичні і практичні результати, що включають в себе: інженерну методику визначення критичної швидкості пошкоджуваності агрегатів літака при зіткненні з птахами; моделі деформування та руйнування птаха при його співударянні з перешкодою; уточнену методику визначення зони локального пошкодження типових конструкцій в залежності від енергетичних параметрів процесу співударяння; опис дослідницького стенду для випробувань на птахостійкість; експериментальні дослідження реальних об’єктів – агрегатів літаків Ан-28, Ан-72 та Ан-70.

Результати роботи впроваджені на АНТК “Антонов”, ЗМКБ “Прогрес”, АНТК “Ільюшин”, в ЦАГІ ім. М.Є. Жуковського.

Ключові слова: птахостійкість, локальна міцність, моделі деформування і руйнування птаха, енергія співударяння, випробувальний стенд, критична швидкість.

АННОТАЦИЯ

Онгирский Г.Г. Локальная прочность конструктивных элементов пассажирских и транспортных самолетов при столкновении с птицами. Диссертация является рукописью, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.03 – прочность летательных аппаратов. Государственный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков 2000 г.

Диссертация посвящена исследованию локальной прочности агрегатов воздушных судов при столкновении с птицами.

В работе дан статистический анализ проблемы, показана ее актуальность, раскрыты особенности проблемы столкновения с птицами для пассажирских и транспортных самолетов.

Разработана инженерная методика определения критической скорости повреждаемости агрегата самолета при столкновении с птицами.

На основе теории подобия и размерностей установлены приближенные зависимости критической скорости от параметров птицы и преграды, которые удовлетворительно согласуются с экспериментом.

Разработаны модели деформирования и внутреннего разрушения птицы при ее соударении с упругой преградой, на основе которых получена аналитическая зависимость для энергии внутреннего разрушения биологических компонентов и тушки в целом, которая позволила с учетом экспериментальных данных установить относительную долю энергии разрушения птицы в кинетической энергии соударения.

Энергетический подход позволил разработать уточненную методику определения зоны повреждаемости самолета при критической скорости соударения.

Проведена экспериментальная проверка теоретических моделей и методик на созданном комплексном исследовательском стенде. Испытания на стенде реальных агрегатов самолетов Ан-28, Ан-70, Ан-72 подтвердили идентичность локальной прочности изделий прогнозируемой.

Разработанные методики и рекомендации внедрены на АНТК “Антонов”, “Ильюшин” (Россия), ЗМКБ “Прогресс” и в ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского.

Ключевые слова: птицестойкость, локальная прочность, модели деформирования и разрушения птицы, энергия соударения, испытательный стенд, критическая скорость.

SUMMARY

Оngirsky G.G. Local strength of passenger and transport airplane structural elements at collision with birds. The dissertation is the manuscript submitted to a scientific degree of candidate of engineering science (speciality 05.07.03 - toughness of flying machines). State aerospace university named after Zhukovsky N.E." Kharkov Aviation institute", Kharkov 2000.

The dissertation is devoted to development of local strength theoretical basis of structural elements at the collision with birds. It contains theoretical and practical results, comprising the engineering strategy of determining critical velocity of damaging the airplane units at the collision with birds; bird deforming and bird destroying models under it collision with the barrier; elaborated strategy of determination of local damaging area of the standard structures depending on energetic parameters of collision process; description exploratory bird-resistance testing stand; experimental investigations of real object – of Ан-28, Ан-72, Ан-70 airplane units. The dissertation results are introduced on ASTC "Antonov", ZMDB "Progress", ASTC "Ilushin", in CAGI namad after Zhukovsky N.E.

Key words: bird-resistance, local strength, bird deforming and bird destroying models, collision energy, testing stand, critical velocity.

Умов. друк. арк. 1. Тираж 100 прим. Зам. №

Надруковано АНТК “Антонов”. Київ, вул. акад. Туполєва,1.