Разработка конструктивно-компоновочной схемы фюзеляжа перспективного широкофюзеляжного самолета

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Том ХЫУ

2013

№ 5

УДК 629.735.33.015.3

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНОЙ СХЕМЫ ФЮЗЕЛЯЖА ПЕРСПЕКТИВНОГО ШИРОКОФЮЗЕЛЯЖНОГО САМОЛЕТА

В аэродинамических компоновках самолетов, у которых ширина фюзеляжа значительно больше его высоты, возникает проблема, связанная с действием внутреннего давления. Рассмотрена схема эллиптического фюзеляжа, в которой анализируются различные конструктивно-силовые схемы (КСС), использующие вертикальные или горизонтальные элементы конструкции фюзеляжа для восприятия внутреннего давления. Критерием выбора является вес конструкции и равномерность перемещений от внутреннего давления по длине фюзеляжа.

Ключевые слова: конструктивно-силовая схема, внутреннее давление, силовой пол пассажирской кабины, силовой пол грузовой кабины, силовой потолок.

Круглая форма поперечного сечения фюзеляжа представляется наивыгоднейшей как обеспечивающая минимальный периметр для постоянной площади сечения или минимальную площадь поверхности фюзеляжа при постоянном его объеме и, как следствие этого, наименьшее сопротивление трения. Силовая схема фюзеляжа круглого сечения, включающая обшивку, шпангоуты, стрингеры и поперечные балки пола пассажирского салона, весьма эффективна с точки зрения воздействия внутреннего давления. Избыточное давление, действующее по нормали к обшивке, уравновешивается окружными напряжениями в обшивке (цепными напряжениями). Конструкция фюзеляжа круглой формы позволяет обеспечить его статическую прочность, долговечность, живучесть и требуемые эксплуатационные характеристики при высоком весовом совершенстве. Однако круглая форма поперечного сечения фюзеляжа накладывает значительные ограничения на компоновочные решения по размещению пассажиров и грузов.

Объектом исследований является самолет «Фрегат Экоджет», разрабатываемый ОАО ФПГ «Росавиаконсорциум» [1]. Особенность этого летательного аппарата состоит в том, что поперечное сечение его фюзеляжа в виде горизонтального эллипса образовано сопряженными дугами окружностей. При этом радиус верхней и нижней дуг, образующих эллипс, не менее чем в 2.5 раза

В. И. БИРЮК, А. А. НАВОЕВ, В. И. ЧЕРНОУСОВ

БИРЮК

НАВОЕВ

ЧЕРНОУСОВ

Виктор Илларионович

кандидат технических наук, главный научный сотрудник ЦАГИ

Алексей Александрович

младший научный сотрудник ЦАГИ

Владимир Иванович

ведущий инженер ЦАГИ

больше радиуса боковых дуг, что сильно отличается от круглого сечения, обеспечивая более эффективное использование его площади. Работа силовых элементов боковой части такого фюзеляжа с обычным радиусом кривизны под действием избыточного давления аналогична работе этих элементов в фюзеляжах круглого сечения. Работа верхней и нижней частей такого фюзеляжа существенно отличается от работы силовых элементов в фюзеляжах круглой формы.

Для сравнения на рис. 1 показаны поперечные сечения фюзеляжей самолетов A330/340, B-777 и «Фрегат Экоджет». Рассматривается несколько вариантов КСС, позволяющих минимизировать деформации от внутреннего давления [2] в фюзеляже некруглого сечения. Эти варианты заключаются в использовании дополнительных элементов в виде стоек, препятствующих действию внутреннего давления. В данном случае [3] эффективность использования сечения заключается в симметричном эллипсе, в котором как грузовое пространство, так и пассажирский салон вместимостью 300 — 350 пассажиров наиболее приемлемы. Отступление от круглого сечения приводит к неравномерному полю перемещений вдоль фюзеляжа от действия внутреннего давления. Таким образом, поверхность фюзеляжа становится похожей на «стеганое одеяло». В отличие от работы [2], для восприятия внутреннего давления используются не вертикальные стойки, а силовой пол пассажирской и грузовой кабин, а также вводится дополнительный силовой элемент в виде потолочной балки, которая не ограничивает эффективность использования сечения фюзеляжа. В работе [3] было показано, что несмотря на увеличенные весовые затраты для отсека фюзеляжа, в целом самолет имеет лучшие летно-технические характеристики за счет уменьшения длины фюзеляжа и уменьшения взлетного веса самолета.

Такая форма поперечного сечения позволяет разместить в фюзеляже 300 — 350 пассажиров в трех салонах с тремя главными проходами шириной не менее 500 мм, с шагом кресел не менее 810 мм. Наличие трех главных проходов снижает загруженность проходов пассажирами в полтора раза, что ведет к уменьшению времени на посадку-высадку пассажиров и улучшает условия аварийной эвакуации. Выбранное поперечное сечение фюзеляжа позволило уменьшить длину фюзеляжа на 9 — 18% по сравнению с современными широкофюзеляжными самолетами. На рис. 2 показано сравнение габаритных размеров самолетов «Фрегат Экоджет» и Boeing 777-200. Однако действие внутреннего давления заставляет увеличивать вес конструкции фюзеляжа, который в сравнении с конструкцией фюзеляжа круглого сечения будет больше. Кроме того, вес конструкции крыла из-за уменьшения длины консольной части при том же размахе крыла будет меньше. Следовательно, при той же пассажировместимости можно будет реализовать транспортную задачу при меньшем взлетном весе примерно на 30 — 35%. Требования аэродинамики сводятся к необходимости иметь перемещения вдоль фюзеляжа не более 3 мм на одном метре. Обеспечение равномерных перемещений обшивки фюзеляжа по его длине от действия внутреннего давления является одной из главных задач. Этого можно достичь с помощью выбора рациональной конструктивно-силовой схемы.

В данном случае целесообразно использовать многодисциплинарный подход. Однако сложность задачи заключается в нагруженности конструкции внутренним давлением, из-за чего на данном уровне нельзя использовать систему «АРГОН» [4]. Возможно использовать алгоритмы синтеза КСС на основе [5]. Однако нагруженность внутренним давлением усложняет алгоритм

Рис. 1. Поперечные сечения фюзеляжей современных широкофюзеляжных самолетов и самолета «Фрегат Экоджет»

Рис. 2. Сравнение габаритных размеров самолетов «Фрегат Экоджет» и Boeing 777-200

поиска КСС. Проблемы с восприятием внутреннего давления возникают и для сверхзвуковых деловых самолетов (СДС) из-за использования некруглого сечения пассажирского салона [6], но способы минимизации веса и выбора оптимальной КСС фюзеляжа СДС при этом должны быть несколько другими, нежели рассматриваемые в данной работе. Одним из простейших способов является введение вертикальных стоек, позволяющих бороться с действием давления. Но стойки ухудшают интерьер и не являются безопасными элементами конструкции для такого самолета. Для нахождения рационального конструктивного решения была рассмотрена конечно-элементная модель отсека, показанная на рис. 3. На рис. 4 представлено первоначальное распределение толщин в элементах КСС. Конструкция подвержена действию внутреннего давления 0.65 атм (рис. 5).

Исследования отсека регулярной зоны фюзеляжа самолета «Фрегат Экоджет» проводились с помощью конечно-элементного программного комплекса MSC Patran/Nastran. Конструктивно -силовая схема отсека фюзеляжа из-за эллиптической формы поперечного сечения моделировалась подробно, чтобы более точно оценить распределение напряжения в элементах конструкции и массу конструкции. В качестве конечного элемента использовался четырехугольник (Quad). Каждому конечному элементу присваивалось свойство пластины (Shell), позволяющее моделировать плоское напряженное состояние, изгиб и поперечный сдвиг. Для уменьшения влияния граничных условий на результаты расчетов использовались цилиндрические системы координат, в которых края отсека закреплялись следующим образом: перемещения по радиусам разрешены, а все остальные перемещения и повороты запрещены. Геометрические параметры элементов КСС выбирались исходя из установившихся в практике проектирования рекомендаций: двутавровое сечение для шпангоутов и балок пола и уголок для стрингеров. Окончательные параметры элементов КСС определялись по результатам оптимизации конструкции. Зона стыка шпангоута, стрингера и обшивки конструктивно оформлялась так же, как и для традиционного фюзеляжа.

Рис. 3. Отсек фюзеляжа

Рис. 4. Первоначальное распределение толщин

Рис. 5. Нагружение конструкции внутренним избыточным давлением

В качестве материала для элементов конструкции фюзеляжа выбирался алюминиевый сплав: лист 1163РДТ для обшивки, прессованный профиль Д16ТПП для стрингера и катаная плита 1163Т для шпангоута.

В качестве критериев для проектирования КСС фюзеляжа мы опирались, в основном, на критерии усталостной прочности и живучести, рекомендуемые Г. И. Нестеренко [7]:

нормальные цепные напряжения горизонтального полета в обшивке фюзеляжа агп =< 10 кг/мм2 при внутреннем давлении Ар = 0.65 атм;

двухпролетная поперечная трещина с разрушенным стрингером в нижней панели центральной части фюзеляжа (а экс = 21.5 кг/мм2);

нормальные продольные напряжения (с учетом изгиба) в горизонтальном полете в местах крепления гермопанелей к подкрепляющим рамам и в стыках герметической части «кессона» крыла не должны превышать 6 кг/мм2.

Но поскольку рассматривается лишь действие внутреннего давления, а также только отсек фюзеляжа, то ограничиваются одним усталостным критерием, а именно: агп =< 10 кг/мм2, полагая, что остальные критерии можно будет удовлетворить в пределах выбранной КСС изменением толщин и площадей стрингеров, а также локальными усилениями.

Первый этап исследования — определение поведения конструкции при нагружении внутренним избыточным давлением. Для этого было рассмотрено несколько вариантов поперечного

силового набора фюзеляжа: всю нагрузку воспринимают только шпангоуты, шпангоуты и балки пола пассажирского салона, шпангоуты и балки полов пассажирского и грузового отсеков. Включение балок полов в конструктивно-силовую схему фюзеляжа приводит к значительному уменьшению деформаций (см. рис. 6 — 8).

Следует учесть, что балки пола пассажирского салона работают на сжатие, а не на растяжение, как в фюзеляжах круглого сечения и в фюзеляжах схемы «double-bubble».

Использование традиционной силовой схемы шпангоута фюзеляжа круглого сечения в предлагаемой конструкции приводит к неприемлемым весовым затратам из-за изгиба шпангоута в зонах с малой кривизной. Необходимы нетрадиционные конструктивные решения, позволяющие обеспечить эффективное использование площади поперечного сечения фюзеляжа и рациональную работу КСС фюзеляжа.

Рис. 6. Перемещения обшивки под действием внутреннего давления, включен в работу силовой пол пассажирской кабины

Рис. 7. Перемещения обшивки под действием внутреннего давления, включены в работу силовой пол грузовой кабины и потолочная балка

верхняя точка  нижняя точка Рис. 8. Влияние элементов конструкции на перемещения

Включение балки пола грузового отсека в КСС поперечного набора позволило уменьшить деформации в нижней части фюзеляжа почти в 2 раза по сравнению с результатом без использования этой балки. Следовательно, для уменьшения деформаций в верхней части фюзеляжа можно использовать аналогичную балку («потолочная» балка). Высота установки такой балки связана с комфортом пассажиров в салоне самолета. На рис. 7 видно, что включение балок полов, а затем и балки потолка (новый нетрадиционный элемент) в конструктивно-силовую схему фюзеляжа приводит к значительному уменьшению деформаций.

Для уменьшения деформаций также можно использовать вертикальные стойки, устанавливаемые наподобие поручней в салоне автобуса. Места установки вертикальных стоек связаны расположением кресел в пассажирском салоне и грузов в грузовом отсеке (рис. 9). Сравнение результатов по перемещениям показано на рис. 10. Использование вертикальных стоек (вариант б) приводит к наименьшим деформациям в конструкции, но такое положение стоек приводит к сильному волнообразованию в поперечном сечении. И к тому же это самый «некомфортный» вариант для пассажиров и неудобный для перевозки грузов. Использование любого варианта вертикальных стоек приводит к возникновению концентраторов напряжения в местах стыковки стоек со шпангоутом и балкой пола пассажирского салона. Вариант со стойками наименее удобен и комфортен для пассажиров, чем с «потолочной» балкой. И хотя вариант с «потолочной» балкой тяжелее на 4.3%, чем варианты с вертикальными стойками, и деформации больше на 5.7%, он наиболее рационален по условиям комфорта и дальнейшей оптимизации конструкции.

На рис. 11 показаны кольцевые напряжения, действующие в обшивке от внутреннего давления. Эти напряжения в среднем не превышают 10 кг/мм . Перемещения вдоль оси фюзеляжа равномерны (рис. 12).

Рис. 9. Расположение вертикальных стоек: а — по краям; б — по центру

1 2

Рис. 10. Результаты расчетов для четырех вариантов КСС:

1 — без использования дополнительных силовых элементов; 2 — вертикальные стойки (вариант а); 3 — вертикальные стойки (вариант б); 4 — «потолочная» балка

Рис. 11. Кольцевые напряжения в обшивке

Рис. 12. Перемещения

Рис. 13. Критические зоны в шпангоуте

В ходе этого этапа исследования было обнаружено неравномерное распределение напряжений в шпангоуте — появляются «критические» зоны (рис. 13). В связи с неравномерным распределением напряжения в стенке и полках шпангоута и с целью минимизации массы конструкции возможно использование стенок и полок переменной толщины в шпангоуте. Для устранения высоких напряжений в зонах 1 и 3 достаточно сделать плавные переходы между примыкающими элементами (стенка шпангоута и косынка, стенка шпангоута и стенка балки пола). В зонах 2 и 4 нужно увеличивать толщину нижней (свободной) полки и толщину стенки шпангоута.

Так как напряжения в стенке шпангоута в верхней и нижней зонах малы, то для минимизации массы конструкции можно использовать «ферменную конструкцию» (рис. 14).

Использование «ферменной конструкции» позволяет снизить массу шпангоута на 11.7%, при этом деформация увеличивается на 3.5% (3 мм).

В итоге получаем, что использование в КСС фюзеляжа эллиптической формы трех горизонтальных силовых элементов, неравномерное распределение толщин в стенке и полках шпангоута позволяет получить шпангоут на 50% легче, чем шпангоут стандартной конструкции (постоянная жесткость по контуру). На рис. 15 показано последовательное улучшение шпангоута.

Результаты исследований показали, что возможно добиться равномерного поля перемещений вдоль фюзеляжа, не используя вертикальных стоек и не выходя за пределы 10 кг/мм2 для цепных напряжений. При этом переориентируется работа полов пассажирской и грузовой кабин (сжатие вместо растяжения, сжатие оценивалось с учетом потери устойчивости полов). Кроме того,

Рис. 14. Использование «ферменной конструкции» в шпангоуте

Рис. 15. Эволюционный путь шпангоута

вводится дополнительный элемент типа потолочной балки для восприятия внутреннего давления. Суммарный относительный вес конструкции фюзеляжа возрастает в сравнении с обычной схемой самолета. Однако с учетом меньшего относительного веса крыла за счет уменьшения размаха его консольной части можно остаться в традиционных относительных весовых лимитах около 30% от взлетного веса. Но при этом взлетный вес самолета при равной пассажировместимости будет на 30 — 35% меньше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бирюк В. И., Черноусов В. И. Фюзеляж летательного аппарата // Патент, 2010, № 2434784.

2. Максимов В. Н., Джамгаров С. Г. Фюзеляж летательного аппарата // Патент, 2006, № 2270135.

3. Бирюк В. И., Климов А. В., Навоев А. А., Черноусов В. И. Конструктивно-силовая компоновка самолета с поперечным сечением фюзеляжа в виде эллипса // Полет. 2011. № 9, с. 12 — 18.

4. Г у дилин А. В., Евсеев Д. Д., Ишму ратов Ф. З., Липин Е. К., Маркин В. Н., Мосунов В. А., Пантелеев И. М., Сотников С. В., Т еня ев В. Е., Тим о нин А. С., Чедрик В. В. Комплекс программ аэропрочностного проектирования самолета «АРГОН» // Ученые записки ЦАГИ. 1991. Т. XXII, № 5, с. 89 — 101.

5. Сысоева В. В., Чедрик В. В. Алгоритмы оптимизации топологии силовых конструкций // Ученые записки ЦАГИ. 2011.Т. ХЬП. № 2, с. 91 — 102.

6. Бирюк В. И., Ибрагимов М. Р., Коваленко В. В., Новиков А. П., Титов В. Н., Чайка Т. Ю., Чернавских Ю. Н., Юдин В. Г. Перспективы снижения уровня звукового удара коммерческих сверхзвуковых самолетов нового поколения // Ученые записки ЦАГИ. 2010. Т. ХЫ, № 5, с. 13 — 18.

7. Прочность самолетных конструкций. Гл. 6 / Под ред. Г. П. Свищева, А. Ф. Селихова. — М.: Машиностроение, 1982.

Рукопись поступила 17/УП 2012 г.