Введение диссертации (часть автореферата) На тему "Конечно-элементное моделирование и исследование динамики палубного аэрофинишера"
Развитие и укрепление боевой мощи военно-морского флота России требует применения самых современных достижений науки и техники при разработке новой продукции, продлении срока службы и оптимизации уже разработанной. Проблема исследования вопросов, связанных с функционированием авианосцев, сложнейших с технологической точки зрения кораблей, является в настоящее время чрезвычайно актуальной. Одним из действий, регулярно осуществляемых при боевом дежурстве авианосца, является посадка летательного аппарата (ДА) на его палубу. Посадка на палубу — это сложный процесс, требующий как квалифицированных действий пилота и командующего полетами, так и безотказной работы системы торможения — аэрофинишера. Одним из факторов, влияющих на безопасность посадки, является динамическая прочность и работоспособность аэрофинишера, а также его «оптимальная настройка» на прием ЛА заданной массы с заданным вектором посадочной скорости. При этом формулировка задач исследования механики подобных конструкций является крайне сложной. Данные задачи являются принципиально нелинейными и динамическими, и требуют современных подходов к решению [12].
До настоящего времени исследование динамики аэрофинишера проводились в рамках организаций (НИИ и КБ), разрабатывающих данное изделие, в первую очередь в ЦНИИ судового машиностроения. По большей части результаты исследований публиковались лишь во внутренних отчетах о НИР [23, 24]. В открытой печати можно найти незначительное число работ, среди которых можно упомянуть работы российских авторов по исследованию динамики аэрофинишера [3, 35, 43] и выбору параметров гидравлической системы [36, 42]. На тему моделирования аэрофинишера было защищено несколько диссертаций [15, 37]. В работе [37] разработан алгоритм на языке Fortran для расчета динамических и гидравлических параметров аэрофинишера, основанный на экспериментальных данных и численном интегрировании уравнений динамики.
Среди доступных в свободной печати ранних работ зарубежных авторов можно выделить публикации [41, 45], а в начале 21 века исследования по динамике и управлению аэрофинишером активно начали вести китайские ученые [54, 55].
В настоящее время для решения сложных задач механики доминирующее положение занимают наукоемкие компьютерные технологии — программные системы компьютерного моделирования и инжиниринга [1], основанные на совместном применении фундаментальных научных достижений в области механики и современных численных методов. Актуальность применения подобных технологий в отечественной промышленности предопределена тем, что ведущие компании мира три последних десятилетия в своих приоритетных разработках уже используют эти технологии, добиваясь существенного технического прогресса. Эта же тенденция имеет место и на ведущих отечественных предприятиях, в первую очередь, авиа-, судо- и энергомашиностроительного комплекса, где активно внедряют и применяют программные системы компьютерного инжиниринга для производства новой конкурентоспособной продукции.
Таким образом, поставленная и решенная в настоящей работе задача создания, верификации и использования динамической модели аэрофинишера с помощью современных технологий, основанных на фундаментальных достижениях в области механики и современных вычислительных методах, является чрезвычайно актуальной.
Объект исследования настоящей работы - палубный гаковый аэрофинишер «Светлана-2», предназначенный для торможения ЛА массой от 12 до 25 т, с посадочными скоростями от 210 до 240 км/ч. Аэрофинишер должен обеспечивать тормозной путь, не зависящий от массы и посадочной скорости JIA, и равный приблизительно 90 м. Перегрузки, испытываемые пилотом JIA, не должны превышать 4,5g.
Под термином «параметры посадки» будем понимать значения массы JIA, модуль и направление вектора посадочной скорости JIA, силу тяги JIA, действующую в процессе торможения.
Под термином «характеристики торможения» будем понимать закон движения JIA (тормозной путь, скорость, перегрузки), законы движения участков троса и подвижных элементов аэрофинишера, а также закон изменения давления в гидравлическом цилиндре аэрофинишера в процессе торможения.
При выполнении работы были поставлены следующие цели:
- разработка математической и численной моделей аэрофинишера, с высокой степенью адекватности описывающих его динамическое поведение при посадке JIA;
- изучение зависимостей характеристик торможения от параметров посадки на основе многовариантных исследований с помощью разработанных моделей аэрофинишера;
- численное моделирование и исследование внештатных случаев на-гружения аэрофинишера и прогнозирование возможности и характера его повреждения;
- моделирование и исследование внештатных случаев нагружения аэрофинишера и прогнозирование возможности и характера его повреждения.
Задачи исследования. Для достижения вышеуказанных целей необходимо решить следующие задачи:
- создание математической модели аэрофинишера, учитывающей все его основные элементы;
- разработка численной модели аэрофинишера, выбор численных схем и алгоритмов для решения поставленных задач;
- аналитическое и численное решение тестовых задач с целью верификации выбранных численных схем и подтверждения их применимости для решения задач динамики аэрофинишера;
- валидация (проверка адекватности) созданной численной модели аэрофинишера на основе сравнения численных результатов с экспериментальными данными;
- проведение многовариантных исследований, с целью изучения влияния параметров посадки на характеристики торможения;
- численное моделирование работы аэрофинишера в нештатной ситуации и оценка возможности его повреждения;
- анализ напряженно-деформированного состояния соединительной муфты аэрофинишера в процессе торможения.
Метод исследования. В диссертационной работе численное моделирование выполнено с помощью метода конечных элементов (МКЭ), одного из самых мощных и эффективных численных методов решения задач механики. Этот метод универсален и позволяет учитывать сложную геометрию конструкционных элементов, разнообразные внешние воздействия, нелинейное динамическое поведение механической системы с учетом множественного контактного взаимодействия. Используемые процедуры МКЭ реализованы в программной системе LS-DYNA.
Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:
- впервые в отечественной инженерной практике разработана численная модель аэрофинишера, которая, благодаря высокой степени адекватности, позволяет изучать характеристики торможения при всевозможных параметрах посадки;
- детально изучена волновая картина в тросе аэрофинишера в процессе торможения JIA;
- с помощью моделирования изучены зависимости характеристик торможения от отдельных параметров посадки (внецентренность, угол зацепления отличный от прямого, сила тяги) для различных сценариев посадок, включая нештатные;
- проведено детальное численное моделирование и исследование напряженно-деформированного состояния соединительной муфты в процессе ее изготовления и в условиях эксплуатации.
Достоверность результатов, выводов и рекомендаций определяется строгостью используемого математического аппарата, обоснованным применением современного численного метода (МКЭ), проведенной верификацией использованных численных методов и процедур, а также продемонстрированной в работе адекватностью созданной модели путем сравнительного анализа результатов численного моделирования с экспериментальными данными.
Выполненная работа имеет крайне высокую практическую ценность. Все исследования выполнены в 2004 - 2008 гг. в рамках совместных проектов с Центральным научно-исследовательским институтом судового машиностроения (ЗАО «ЦНИИ СМ») и послужили основой для написания четырех отчетов о научно-исследовательской работе [13, 14, 21, 30].
С помощью разработанной модели аэрофинишера автором диссертационной работы в составе группы экспертов по поручению Военной Прокуратуры РФ были выполнены многовариантные расчетные исследования в рамках расследования уголовного дела №23.00.0010-05, «.с целью всестороннего, полного и объективного выяснения обстоятельств аварии самолета Су-33, бортовой номер 82, произошедшей 05 сентября 2005 г.». Проведенные исследования позволили сделать выводы о возможных сценариях произошедшей аварии.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Разработанная математическая и численная модели, позволяющие изучать характеристики торможения при различных параметрах посадок.
2. Результаты многовариантных исследований динамического поведения аэрофинишера при посадке ДА.
3. Алгоритм корректировки уставки селектора массы аэрофинишера с учетом силы тяги ДА.
4. Результаты расчетных исследований прочности соединительной муфты аэрофинишера при ее изготовлении и эксплуатации.
В первой главе работы приведено описание конструкции аэрофинишера, история ее модификаций от момента изобретения и первой реализации до современных дней, описаны различные типы тормозных устройств. Представлены сведения о некоторых авариях, произошедших при осуществлении посадки на палубу авианосца.
Во второй главе проведен выбор и описаны методы исследования. Рассмотрены четыре основных этапа создания расчетной модели аэрофинишера: математическая формулировка задачи и построение математической модели; выбор метода исследования; верификация выбранных численных методов и проверка адекватности модели реальному объекту; выполнение расчетов, анализ и интерпретация полученных результатов.
В третьей главе приведены основные уравнения динамики поперечного удара по нити и решен ряд модельных и тестовых задач с помощью как аналитических, так и численных методов, применительно к удару по приемному тросу. В результате решения задач удается дать ответ на ряд практических вопросов, таких как влияние угла удара или учет конечных размеров приемного троса на его напряженно-деформированное состояние. Фактически, в работе произведена процедура верификации численных методов применительно к рассмотрению поперечного удара по тросу, что является предварительным необходимым шагом для решения более сложных задач теми же методами.
В четвертой главе подробно описан процесс создания расчетной конечно-элементной модели аэрофинишера; проводится проверка адекватности модели путем сравнения полученных результатов с экспериментальными данными.
Пятая глава содержит результаты многовариантных исследований динамического поведения аэрофинишера в зависимости от параметров посадки (масса JIA, скорость зацепления JIA за приемный трос, масса подвижных частей тормозной машины, уставка селектора массы JIA, величина силы тяги). Исследованы внештатные случаи посадки, для случаев существенного несоответствия заданной уставки фактической массе JIA. Предложен метод корректировки уставки в зависимости от действующей силы тяги.
В шестой главе выполнено моделирование процесса изготовления и исследование напряженно-деформированного состояния соединительной муфты палубного аэрофинишера. Проведенные расчетные исследования позволили убедиться в том, что при действии рабочих нагрузок не произойдет разрушения цинковой заливки и «вырывания» троса.
Основные результаты работы были представлены автором на:
- IX, XII Всероссийских конференциях «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (С.-Петербург: 2005, 2008);
- Рабочих совещаниях, посвященных проблемам оптимизации узлов аэрофинишера, проводившихся в ЦНИИ СМ и СПбГПУ (С.-Петербург: 2004 -2009 гг.);
- Научных семинарах кафедры «Механика и процессы управления» СПбГПУ (С.-Петербург: 2004 - 2009 гг.);
- Конференции «Новые возможности программного комплекса ANSYS» (Екатеринбург: 2007);
- Научно-практическом семинаре «Конечно-элементная механика и компьютерный инжиниринг» в Доме Ученых РАН, на секции строительной механики и надежности конструкций имени Н. К. Снитко, под эгидой Научного совета РАН по строительной механике (С.-Петербург: 2008);
- Международной конференции Sixth EUROMECH Nonlinear Dynamics Conference ENOC 2008 (С.-Петербург: 2008);
- Международной летней школе Advanced Problems in Mechanics (С.Петербург: 2008);
- Городском семинаре по механике в Институте проблем машиноведения РАН (С.-Петербург: 2009);
Всего по теме диссертации опубликовано 4 печатных работы и тезисы трех конференций. Основные результаты и защищаемые положения диссертации отражены в публикациях [7, 9, 10, 18, 19, 20, 49].
Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat
http://www.dissercat.com/content/konech ... z4RCuRfo7C
