АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

Для производства крупногабаритных изделий аэрокосмического назначения из композиционного материала (КМ) требуется оснастка, которая будет иметь минимальные значения прогиба при воздействии собственного веса и веса установленного на нее изделия. В качестве примера такого изделия можно привести панель хвостового оперения самолета МС-21, для которой максимально допустимое отклонение ее теоретического контура составляет не более δ=0,4 мм, при ее габаритных размерах в длину ~ 9 метров, а в ширину ~ 3 метра. При этом на оснастку будет устанавливаться модулан массой m=1000 кг, поверх которого уже будет производиться укладка слоев углепластика (формирующих саму панель). Таким образом, перед проектировщиком такой оснастки, встает достаточно сложная задача – спроектировать оснастку, которая, несмотря на свои большие геометрические размеры и значительную внешнюю весовую нагрузку, будет иметь прогиб не более 0,4 мм. При этом допустимый прогиб должен соблюдаться как при установке оснастки на пол в цеху, так и при перемещении оснастки за четыре такелажных узла. Так же должно соблюдаться важное условие – масса оснастки не должна превышать 1500 кг, т.к. грузоподъемность кран-балки (для перемещения оснастки с установленным на нее модуланом) не более 2,5 тонн.

ABSTRACT

For the production of large-sized aerospace products made of composite material (CM), equipment is required that will have minimum deflection values when exposed to its own weight and the weight of the product installed on it. As an example of such a product, the MC-21 aircraft tail panel can be cited, for which the maximum permissible deviation of its theoretical contour is no more than δ = 0.4 mm, with its overall dimensions ~ 9 meters long and ~ 3 meters wide. At the same time, a modulan with a mass of m = 1000 kg will be installed on the tooling, on top of which layers of carbon fiber will already be laid (forming the panel itself). Thus, the designer of such equipment faces a rather difficult task – to design equipment that, despite its large geometric dimensions and significant external weight load, will have a deflection of no more than 0.4 mm. At the same time, the permissible deflection must be observed both when installing the tooling on the floor in the workshop, and when moving the tooling for four rigging nodes. An important condition must also be observed – the weight of the equipment should not exceed 1500 kg, since the lifting capacity of the crane beam (for moving the equipment with a modulan installed on it) is no more than 2.5 tons.

Ключевые слова: оснастка, крупногабаритные изделия, алгоритм проектирования, Nastran.  

Keywords: equipment, large-sized products, design algorithm, Nastran. 

Так как полы в сборочных цехах не бывают идеально ровными, при проектировании крупногабаритных оснасток ключевое значение имеет расположение ее трех стационарных опор, на которые она будет устанавливаться в любой зоне пола сборочного цеха. Таким образом, проектирование крупногабаритной оснастки целесообразно начинать с определения оптимального расположения ее трех стационарных опор, обеспечивающих минимальный прогиб оснастки под воздействием весовой нагрузки. Так же по внешнему периметру оснастки необходимо предусмотреть наличие вспомогательных опор, которые будут выкручиваться из приваренных к оснастке втулок (после установки оснастки на стационарные опоры) до касания с полом, с целью исключения опрокидывания оснастки (при работе с изделием, установленным на нее).

На рис. 1 представлена поверхность панели хвостового оперения самолета МС-21. Для этой панели необходимо спроектировать оснастку удовлетворяющую след. условиям: при внешней весовой нагрузке от равномерно распределенной по поверхности оснастки массы m=1000 кг, максимально допустимый прогиб оснастки должен составлять δ≤ 0,4 мм. При этом собственная масса оснастки не должна превышать 1,5 тонны.

Рисунок 1. Внешний вид поверхности панели хвостового оперения самолета МС-21

Оптимальным (обеспечивающим минимальный прогиб) расположением 3-х стационарных опор оснастки будет такое расположение опор, при котором будет выполняться условие равности прогибов срединной и концевых частей поверхности панели. Условия оптимального расположения опор оснастки схематично представлено на рис. 2.

Рисунок 2. Условия оптимального расположения стационарных опор оснастки для изготовления панели хвостового оперения самолета МС-21

Для определения оптимального расположения стац. опор используется метод конечных элементов в программной среде MSC/Nastran [1,2]. Для этого создается конечно – элементная (КЭ) модель поверхности панели произвольной массы, далее задается нагрузка в виде ускорения свободного падения (т.е. на КЭ-модель воздействует сила собственного веса панели), а места расположения опор панели определяются методом “инженерных проб”. Т.е. первоначально задается “приблизительное” расположение опор, далее производится несколько расчетных итераций (с различными расположениями опор) до тех пор, пока не будет выполняться условие, указанное на рис.2, т.е. до выполнения приблизительного равенства δ₁ ~ δ₂ ~ δ₃. На рис.3. представлено деформированное состояние панели с оптимальным расположением стац. опор.

Рисунок 3. Деформированное состояние панели при оптимальном расположении стац. опор

Далее (после определения координат оптимального расположения стац. опор), из имеющегося на предприятии сортамента профилей стальных труб выбирается профиль с наибольшей высотой сечения [1], который целесообразно расположить по внешнему периметру панели, а так же в поперечном направлении через координаты стац. опор. На рис.4 представлено деформированное состояние такой оснастки со стальной панелью толщиной δ=3 мм (наличие стальной панели, совпадающей по внешнему контуру с контуром панели оперения самолета, является необходимым условием для выкладки изделия). При этом нагрузка на оснастку задается в виде равномерно распределенного давления на поверхность стальной панели, вызванного внешней весовой нагрузкой от равномерно распределенной по поверхности панели оснастки массы модулана m=1000 кг (т.е. нагрузка уже соответствует расчетному значению).

Рисунок 4. Деформированное состояние оснастки и распределение суммарных перемещений (мм)

Как видно из рис.4, центральная часть стального листа имеет огромный прогиб δ~145 мм при максимально допустимом (по тех. заданию) прогибе δ≤0,4 мм. При этом прогиб стальных труб имеет гораздо меньшее значение, причем для труб выполняется условие указ. на рис.3, т.е. прогибы труб в центральной и торцевых частях оснастки практич. совпадают. Соответственно, для снижения прогиба стальной панели, необходимо дополнить каркас оснастки продольно-поперечным набором труб таким образом, чтобы прогиб стальной панели был практически равен прогибу каркаса из труб. На рис.5 представлено деформированное состояние оснастки, дополненное поперечно-продольным набором труб. На рис.6 представлен каркас оснастки с поперечно-продольным набором труб (из доступного сортамента), который обеспечивает выполнение условия δ₁ ~ δ₂ ~ δ₃, указанное на рис.5.

Рисунок 5. Деформированное состояние оснастки с поперечно-продольным набором труб

Рисунок 6. Каркас оснастки с поперечно-продольным набором труб

Как видно из рис. 5, прогибы балочного каркаса оснастки и стальной панели практич. совпадают, при этом величина прогиба (~5 мм) на порядок больше максимально допустимого (~0,4 мм). Очевидно, что дальнейшее усиление (с добавлением балок) оснастки в виде плоской рамы является бесперспективной, т.к. в результате таких действий маловероятно снижение прогиба на порядок. Самым эффективным решением в данном случае является создание пространственной рамы из двух плоских рам. Строительная высота такой рамы должна обеспечивать выраженное снижения прогиба и при этом соответствовать тем ограничениям, которые накладываются на нее технологами (ограничения по строительной высоте оснастки необходимы для удобства работы с ней, транспортировки и т.д.). На рис.7 представлена пространственная рама, состоящая из двух плоских рам, соединенных между собой вертикальными стойками из труб сечением 40Х40Х 1,5 мм и диагональными элементами из труб сечением 40Х25х1,5 мм. Строительная высота пространственной рамы составляет 370 мм. Такое значение строительной высоты одобрена технологами как максимально допустимая и при этом позволяет добиться выраженного снижения прогиба оснастки.

Рисунок 7. Балочный каркас оснастки в виде пространственной рамы

На рис.8 представлено деформированное состояние оснастки в виде пространственной рамы.

Рисунок 8. Деформированное состояние оснастки и распределение суммарных перемещений (мм)

Как видно из рис. 8, прогиб пространственной рамы составляет ~1 мм, что значительно ниже прогиба оснастки в виде плоской рамы (5 мм), но при этом превышает максимально допустимый прогиб 0,4 мм. Так же из рис.8 видно несоответствие деформированного состояния оснастки условию оптимальности конструкции оснастки, т.е. в отличии плоской рамы (см. рис.5), в случае пространственной рамы не выполняется условие δ₁ ~ δ₂ ~ δ₃. При детальном изучении деформированного состояния (указ. на рис.8) становится очевидным, что балка, опирающаяся на одну из стационарных опор, имеет избыточный прогиб, который является основной причиной появления волны деформации до значения δ =1 мм.

На рис.9 представлен наиболее эффективный (такой вывод сделан на основе расчетов множества вариантов конструктивных решений этой проблемы) способ снижения деформации опорной балки, а так же показаны дополнительные конструктивные элементы, позволяющие существенно снизить размер волны деформации идущей от стационарной опоры.

Рисунок 9. Усиленный в зоне стац. опоры балочный каркас оснастки

На рис.10 представлено деформированное состояние оснастки, усиленной в зоне стац. опоры.

Рисунок 10. Деформированное состояние оснастки (усиленной в зоне стац. опоры) и распределение суммарных перемещений (мм)

Как видно из рис.10, дополнительное усиление рамы в зоне стац. опоры привело к значимому снижению прогиба, значение которого составляет 0,4 мм и этот прогиб является предельно допустимым в соответствии с тех. заданием. Учитывая, что на точность расчетов целесообразно вводить коэф. безопасности расчета к=1,25 [2], необходимо добиться расчетного прогиба величиной δ_расч. = 0,4 мм/1,25 = 0,32 мм. Для этих целей высокоэффективным (по результатам расчетов множества конструктивных вариантов) решением будет добавление балок направленных от стац. опоры к зоне максимального прогиба оснастки.  На рис. 11 представлена оснастка, усиленная такими балками.

Рисунок 11. Каркас оснастки дополнительно усиленный двумя балками

На рис.12 представлено деформированное состояние такой оснастки.

Рисунок 12. Деформированное состояние оснастки усиленной двумя балками

Как видно из рис. 12, максимальный прогиб оснастки составит δ~ 0,33 мм что практически совпадает с требуемым значением (с учетом коэф. безопасности расчета) 0,32 мм. При этом выполняются условия “оптимальности” конструкции оснастки в виде приблизительного равенства:

δ₁ ~ δ₂ ~ δ₃.

Заключение

Для проектирования крупногабаритной оснастки для высокоточных (по своей геометрии) изделий аэрокосмического назначения необходимо, в первую очередь, определить оптимальное расположение 3-х стационарных опор. Условия оптимальности расположения стац. опор описаны на рис.3. Далее необходимо спроектировать плоскую раму таким образом, что бы прогибы балочного каркаса и внешней стальной пластины совпадали (см. рис. 4,5) и при этом так же выполнялось условие оптимальности расположения стац. опор. В случае значительного превышения прогиба плоской рамы максимально допустимых значений, целесообразно создать пространственную раму на основе плоских рам со строительной высотой, согласованной с технологами и обеспечивающей значимое снижение значений прогиба. В случае если оснастка в виде пространственной рамы имеет прогиб значимо больше предельно допустимого значения, необходимо принять конструктивные меры, направленные на снижение волны деформации, начинающейся в районе стационарной опоры. Высокоэффективные методы решений такой задачи показаны на рис.9,11.

Список литературы:

1. Рычков С.П. MSC.visualNASTRAN для Windows / Рычков С.П. – М.: НТ Пресс, 2004. – 552с.
2. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. – M.: ДМК, 2001. – 446с.