CC BY
54
Оригинальная статья / Original article УДК: 621.643.07
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-41 -49
КОМПЛЕКСНЫЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ СБОРНОЙ КОНСТРУКЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ ГИДРОСИСТЕМЫ СОВРЕМЕННОГО ВЫСОКОМАНЕВРЕННОГО САМОЛЕТА
© Р.В. Кулагин1, О.Д. Стегайло2, А.И. Столерман3, И.Н. Гусев4, И.О. Бобарика5, А.И. Демидов6
1,2,3Иркутский авиационный завод - филиал ПАО "Корпорация "Иркут", 664020, Россия, г. Иркутск, ул. Новаторов, 3.
4,5,6Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. Описать основные подходы, формирующие понятие комплексного инженерного анализа. Объект исследования. Трубопроводы напорных и всасывающих линий. Методы. Численный анализ с учетом деплана-ций, пульсации давления, изменения давления с учетом трассировки. Результаты и их обсуждение. Описана методика нахождения частотного отклика сборной конструкции. Проведен гидродинамический анализ и анализ собственных частот колебаний конструкции всасывающей линии гидросистемы. Найден оригинальный подход к решению задачи поиска возможной кавитации во всасывающих линиях гидросистемы и ее устранения. Заключение. Разработаны рекомендации для повышения ресурса конструкции трубопроводов напорной линии и рекомендации по устранению кавитации во всасывающей линии.
Ключевые слова: инженерный анализ, гидросистема, трубопровод, вибрация, прочность, кавитация.
Формат цитирования: Кулагин Р.В., Стегайло О.Д., Столерман А.И., Гусев И.Н., Бобарика И.О., Демидов А.И. Комплексный инженерный анализ сборной конструкции трубопроводов гидросистемы современного высокоманевренного самолета // Вестник ИрГТУ. 2016. № 6. С. 41-49. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-41-49
INTEGRATED ENGINEERING ANALYSIS OF THE PREFABRICATED PIPELINE STRUCTURE OF MODERN HIGHLY MANEUVERABLE AIRCRAFTS
R.V. Kulagin, O.D. Stegailo, A.I. Stolerman, I.N. Gusev, I.O. Bobarika, A.I. Demidov
Irkutsk Aviation Plant, braInch of "Irkut Corporation" JSC 3 Novatorov, Irkutsk, 664020, Russia. Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. Purpose. The purpose of the paper is to describe the main approaches that form the concept of the integrated engineering analysis. The object of research is pressure and suction pipelines. Methods. The numerical analysis considering warping, pressure pulsations, pressure changes with allowance for location. Results and their discussion. The methods of finding the frequency response of the prefabricated structure are described. The hydrodynamic analysis and the eigen frequency analysis of the suction pipeline structure are described. A unique approach to solving the problem of searching for the possible cavitation in the suction pipelines of the hydrosystem is described as well as its elimination.
©
1
Кулагин Роман Владимирович, заместитель главного конструктора, e-mail: [email protected] Kulagin Roman, Deputy Chief Designer, e-mail: [email protected]
2Стегайло Олег Дмитриевич, и. о. начальника КБ 5 отдела главного конструктора, e-mail: [email protected] Stegailo Oleg, Acting Head of the Design Office of no.5 Department, e-mail: [email protected]
3Столерман Александр Исаевич, заместитель главного конструктора, e-mail: [email protected] Stolerman Alexander, a Deputy Chief Designer, e-mail: [email protected]
4Гусев Игорь Николаевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой самолетостроения и эксплуатации авиационной техники, e-mail: [email protected]
Gusev Igor, Candidate of Engineering sciences, Associate Professor, Head of the Department of Aircraft Construction and Maintenance, e-mail: [email protected]
5Бобарика Игорь Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники, e-mail: [email protected]
Bobarika Igor, Candidate of Engineering sciences, Associate Professor of the Department of Aircraft Construction and Maintenance, e-mail: [email protected]
6Демидов Андрей Игоревич, аспирант, инженер научно-исследовательской части, e-mail: [email protected] Demidov Andrei, Postgraduate, Engineer of the Research Department, e-mail: [email protected]
For citation: Kulagin R., Stegailo O., Stolerman A., Gusev I., Bobarika I., Demidov A. Integrated engineering analysis of the prefabricated pipeline structure of modern highly maneuverable aircrafts. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 6, pp. 41-49. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-41-49
Conclusion. The recommendations on improvement of the pressure pipeline structure useful life are developed as well
as the recommendations for cavitation elimination in the suction pipeline.
Keywords: engineering analysis, hydrosystem, pipeline, vibration, durability, cavitation
Введение
Изделия авиационной техники сегодня представляют собой сложнейший комплекс систем и оборудования, интегрированный в планер [1]. Однако учет совместной работы элементов систем и планера при различных вариантах совместного нагружения является сложнейшей задачей. Одной из самых нагруженных систем самолета является гидросистема. Сборная конструкция гидросистемы испытывает различные виды нагружения: внутреннее давление рабочей жидкости, депланации планера самолета, температурные деформации, кроме того, динамические нагрузки, вызываемые вибрацией агрегатов и силовых установок, пульсацией потока жидкости, колебаниями отдельных агрегатов и панелей летательного аппарата (ЛА) под действием массовых, инерционных и аэродинамических сил на различных режимах полета[2, 3].
Во время совместной работы инженеров Иркутского авиационного завода и сотрудников Иркутского национального исследовательского технического университета был проведен комплексный инженерный анализ сборной конструкции трубопроводов гидросистемы современного высокоманевренного самолета. Для разных частей гидросистемы ставились свои специфические задачи. Для напорной линии гидросистемы была решена задача разработки рекомендаций для повышения ресурса конструкции, а для всасывающей - обнаружение кавитации и разработка рекомендаций к ее устранению.
Одним из способов решения таких задач является инженерный анализ с помощью численного моделирования в специализированных программных комплексах. Поставленные задачи решались с помощью компьютерного моделирования на базе учебно-исследовательской лаборато-
рии моделирования по аэродинамике, конструкции и прочности летательных аппаратов.
Комплексный инженерный анализ напряженно-деформированного состояния сборной конструкции трубопроводов напорной линии гидросистемы с применением междисциплинарного подхода В анализе рассмотрены твердотельная модель гидросистемы с точками крепления и с силовыми элементами каркаса. На рис. 1 показана геометрическая модель сборной конструкции трубопроводов напорной линии гидросистемы.
В статической постановке кроме внутреннего давления была учтена нагрузка от депланаций планера. В полете при воздействии аэродинамических нагрузок на поверхности ЛА происходит деформация планера ЛА. Возникающие при этом перемещения в элементах конструкции планера передаются на точки крепления трубопроводов напорных линий гидросистем ЛА [4].
Для определения депланаций планера во время реальных полетных случаев был дополнительно проведен анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) хвостовой балки самолета с нагру-жением внешними силовыми факторами в местах установки несущих поверхностей. При этом были рассмотрены несколько полетных случаев. На рис. 2 показана схема нагрузок при координированном правом развороте с кабрированием.
На рис. 3 показаны деформации в хвостовой балке самолета. Полученные перемещения элементов каркаса были приняты как внешние силовые факторы при моделировании статического НДС сборной конструкции трубопроводов напорной линии гидросистемы (рис. 4).
ш
Рис. 1. Геометрическая модель сборной конструкции трубопроводов напорной
линии гидросистемы Fig. 1. Geometrical model of the prefabricated hydraulic pressure line
а)
б)
Рис. 2. Схема нагрузок, действующих на хвостовую балку: а - вид по направлению полета; б - вид сверху; 1, 3, 5 - крутящие моменты; 2, 4, 6 - поперечные силы; 7 - сила тяги двигателя;
8, 9 - силы сопротивления Fig. 2. Tail boom loading case: a - flight direction view; б - top view; 1,3, 5 - torques; 2,4, 6 - shear forces; 7 - thrust force; 8, 9 - drag forces
Рис. 3. Деформации в хвостовой балке самолета Fig. 3. Aircraft tailboom deformations
Рис. 4. Перемещения элементов каркаса Fig. 4. Displacement of air-frame elements
Существенная доля нагрузки на трубопроводы напорных линий гидросистем возникает из-за внутреннего давления в системе. В классической постановке задачи давление задается равномерным по всей внутренней поверхности трубопровода. Однако известно, что при движении жидкости давление распределяется неравномерно, например, в изгибах давление различно на внутреннем и внешнем радиусах. Давление падает по ходу движения жидкости ввиду наличия местных сопротивлений и большого количества изгибов [5].
Для учета реального распределения давления в трубопроводе был проведен междисциплинарный анализ, включающий
гидродинамический расчет в специализированном программном продукте и использование полученного распределения давления в прочностном анализе. Такой подход позволил получить более точные результаты.
Также проведен гидродинамический расчет с учетом пульсаций рабочей жидкости от работы гидронасоса в комплексе с анализом собственных частот конструкции, который позволил обнаружить опасные резонансные колебания участков трубопровода. На рис. 5 показано распределение давления в трубопроводе, при этом видны пульсации давления. В различные моменты времени амплитуда пульсаций достигает 0,2 МПа.
Рис. 5. Пульсации давления Fig. 5. Pressure pulsation
Для анализа напряжения и деформаций конструкции под действием вибрационной нагрузки был проведен анализ динамического НДС сборной конструкции трубопроводов гидросистемы с широким диапазоном частот возбуждения. Такой анализ предъявляет повышенные требования к программному продукту и к мощности расчетной станции.
Рассмотрена задача определения частотного отклика конструкции трубопроводной системы для определения критических частот работы трубопровода. По результатам анализа разработаны рекомендации для устранения совпадения критических частот с рабочими частотами системы путем изменения пространственной конфигурации трубопровода и точек его крепления к элементам каркаса планера [6].
Для исследования вибрации трубопровода была найдена функция колебаний точек крепления трубопроводов с постоянной энергией и переменной частотой.
Выполнен поиск функции перемещений в виде
F(t) = A(t) • sintä(t),
(1)
где ь - время, с.; А(ь) - закон изменения амплитуды колебаний по времени; ш(ь) -закон изменения частоты действия внешней силы.
При этом амплитуда функции (1) уменьшается со временем, а частота возрастает.
Модель сборной конструкции, подвергаемая динамическому анализу, рассчитана исходя из условия сохранения целостности контактов во время действия любых возникающих в процессе приложения исходной нагрузки сил. Эффект разрушения контактов в модели сборной конструкции исключен путем применения закона постоянства энергии колебательной системы при автоколебаниях:
т-ш2-А 2
= const,
(2)
лебаний системы; А - амплитуда колебаний системы.
В любой момент времени t
т• w2-Al _ т• w2(t)-A2(t)
2
2
(3)
Таким образом, амплитуда зависит от частотного диапазона исследования:
A(t) =
Ар-Шр
a(t) '
(4)
где ш0 - начальное значение частоты (условно принятое равным 1); А0 - условное начальное значение амплитуды колебаний конструкции, не приводящее к разрушению контактов в модели.
Частота, по условиям задачи поиска частотного отклика, зависит от времени по линейному закону:
ш = к • х + Ь.
(5)
Раскрывая уравнение (3) с учетом (4), подставляя граничные условия, получаем:
Ж0 = 7,
(6)
где т - масса системы, кг; ш - частота ко-
где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от принятых начальных значений амплитуды, частоты, и шага по времени.
Согласно приведенной методике, функция (1) с учетом вышеуказанных условий показана на рис. 6.
Функция позволила задавать перемещения точек опор трубопровода и анализировать сборные конструкции при постоянном значении энергии систем без разрушения ее контактных взаимодействий и применима для инженерных анализов в стандартных КЭ пакетах [7].
Частотный отклик, полученный в результате анализа модели по представленной методике, отображен на рис. 7.
В результате однозначно определен первый резонансный пик всей конструкции на частоте в диапазоне рабочих частот.
m
Рис. 6. График функции f(t) с постоянной энергией колебаний в системе при увеличении частоты с заданными параметрами частотно-временных характеристик Fig. 6. Plot of f(t) function with the constant vibrational energy in the system under increase in oscillation with
specified frequency and time parameters
Рис. 7. Частотный отклик модели трубопровода до модернизации Fig. 7. Frequency response of the pipeline model before modernization
Выполненный анализ частотных откликов модели с модернизированными кронштейнами подтвердил способность конструкции эффективно демпфировать динамические колебания. Отсутствие ярко выраженных пиков динамических напряже-
ний и снижение общего фона напряжений при колебаниях системы с частотой, при которой в исходной конструкции прослеживались ярко выраженные пики напряжений, наглядно представлено на рис. 8 [8].
Рис. 8. Частотный отклик модели после модернизации Fig. 8. Frequency response of the model after modernization
Таким образом, в процессе решения поставленной задачи была уточнена методика определения частотного отклика протяженных сборных конструкций с применением нелинейной контактной задачи теории конечных элементов.
Комплексный инженерный анализ сборной конструкции трубопроводов всасывающей линии гидросистемы с учетом кавитации Проект направлен на решение задачи модернизации конструкции всасывающей линии гидросистемы, работающей в кавитационном режиме. На рис. 9 представлена геометрическая модель конструкции и опасные места по предварительной оценке конфигурации системы.
Распространенная проблема всасывающих линий гидросистем состоит в воз-
можном кратковременном появлении кавитации при определенных условиях. В номинальном режиме работы системы в статической постановке кавитация отсутствует. Обнаружить кавитацию в динамической постановке не позволяют существующие на сегодня программные продукты, которые рассматривают кавитацию как развивающийся при неизменных условиях процесс. Для поиска мест и условий возникновения кавитации была разработана и опробована специальная методика, использующая квазистатический анализ, в результате чего стало возможным определение места кратковременного возникновения кавитации в процессе смены режимов работы гидросистемы.
Кавитация была обнаружена в элементах трубопроводной арматуры (рис. 10).
Рис. 9. Геометрическая модель конструкции: 1 - фланцевый тройник; 2 - угольник гидронасоса Fig. 9. Geometrical model of the structure: 1 - flange tee; 2 - hydraulic pump elbow
Рис. 10. Места возможного возникновения кавитации в трубопроводной арматуре Fig. 10. Possible locations of cavitation in tube fittings
Кроме того, была рассмотрена вибрационная кавитация, которая может возникать вблизи вибрирующих твердых поверхностей при достижении определенной частоты и амплитуды. Наибольшая частота проявляется при резонансных колебаниях. Был проведен модальный анализ, который по косвенным признакам позволил обнаружить вибрационную кавитацию.
В результате модального анализа (рис. 11) были выявлены собственные частоты колебаний конструкции, вероятность резонанса на которых велика, так как они близки по значению к наиболее сильным частотам возбуждения.
Таким образом, комплексное использование описанных подходов позволяет существенно расширить возможности инженерного анализа для исследования и модернизации сложнонагруженных систем современных самолетов.
Заключение В результате комплексного инженерного анализа сборной конструкции трубопроводов гидросистемы современного высокоманевренного самолета, проведенного во время совместной работы инженеров Иркутского авиационного завода и сотрудников Иркутского национального исследовательского технического универси-
Рис. 11. Участок трубопровода на первой моде колебаний Fig. 11. Pipeline section on the first mode of frequency
Для устранения одновременно гидравлической и вибрационной кавитации были рассмотрены несколько модернизированных конструкций. По результатам анализов выбран вариант модернизации, позволяющий достигнуть цели работы и устранить кавитацию.
тета, были решены поставленные задачи. Для напорной линии гидросистемы была решена задача разработки рекомендаций для повышения ресурса конструкции, а для всасывающей - обнаружение кавитации и разработка рекомендаций к ее устранению.
Библиографический список
1. Башта Т.М. Расчеты и конструкции самолетных гидравлических устройств. М.: Изд-во Оборонгиз, 1961. 97 с.
2. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1982. 224 с.
3. Комаров А.А. Сапожников В.М. Трубопроводы и соединения для гидросистем. М.: Машиностроение, 1967. 232 с.
4. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. Изд. 4-е. М.: Машиностроение, 2003, 448 с.
5. Фокс Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в трубопроводах. М:. Энергоиздат, 1981. 248 с.
6. Сапожников В.М., Лагосюк Г.С. Прочность и испытания трубопроводов гидросистем самолетов и
вертолетов. М.: Машиностроение, 1973. 248 с.
7. Яхненко М.С. Пыхалов А.А. Исследование зависимости частот собственных колебаний и напряженно-деформированного состояния трубопроводных систем от осоособенностей их конструкции // Материалы 15 междунар. симп. «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. М.: МАИ, 2009. Т. 1. С. 167-168.
8. Тарасов Ю.Л. Перов С.Н., Логинов С.Л. Решение проблемы обеспечения и надежности ресурса трубопроводных систем при их проектировании // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. «Физ.-мат. науки». 2003. № 19. С. 122-128.
References
1. Bashta T.M. Raschety i konstruktsii samoletnykh gidravlicheskikh ustroistv [Calculations and designs of aircraft hydraulic devices]. Moscow, Oborongiz Publ., 1961, 97 p.
2. Al'tshul' A.D. Gidravlicheskie soprotivleniya [Hydraulic resistance]. Moscow, Nedra Publ., 1982, 224 p.
3. Komarov A.A. Sapozhnikov V.M. Truboprovody i soedineniya dlya gidrosistem [Pipelines and fittings for hydrosystems]. Moscow, Mashinostroenie, 1967. 232 p.
4. Lizin V.T., Pyatkin V.A. Proektirovanie tonkosten-nykh konstruktsii [Design of thin-walled structures]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2003, 448 p.
5. Foks D.A. Gidravlicheskii analiz neustanovivshego-sya techeniya v truboprovodakh. [Hydraulic analysis of the unsteady flow in pipelines]. Moscow, Energoizdat Publ., 1981, 248 p.
6. Sapozhnikov V.M., Lagosyuk G.S. Prochnost' i ispytaniya truboprovodov gidrosistem samoletov i ver-toletov. [Durability and testing of airplane and helicopter hydraulic system pipelines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1973, 248 p.
7. Yakhnenko M.S. Pykhalov A.A. Issledovanie zavi-
simosti chastot sobstvennykh kolebanii i napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya truboprovodnykh sistem ot osoosobenno-stei ikh konstruktsii [Study of the dependence of the eigen frequencies and the stress-strain state of piping systems from their design features]. Ma-terialy 15 mezhdunar. simp. "Dinamicheskie i tekhno-logicheskie problemy mekhaniki konstruktsii i splosh-nykh sred" im. A.G. Gorshkova [Proceedings of 15th International Symposium "Dynamic and technological problems of structural mechanics and continua" named after A.G. Gorshkov]. Moscow, 2009, vol. 1, pp. 167-168.
8. Tarasov Yu.L. Perov S.N., Loginov S.L. Reshenie problemy obespecheniya i nadezhno-sti resursa truboprovodnykh sistem pri ikh proektirovanii [To solution of the problem of ensuring a reliable resource of pipeline systems under their designing]. Vestnik Samarskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Ser. "Fiz.-mat. nauki" - Vestnik of Samara State Technical University. "Physical and Mathematical Sciences" Series. 2003, no. 19, pp. 122-128.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 25.03.2016 г.
Conflict of interest
The authors declare no conflict of interest.
The article was received 25 March 2016
