Методология проведения копровых испытаний полозкового шасси вертолета

Том XLIII

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2012

№ 6

УДК 629.735.45.015.4

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ КОПРОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ПОЛОЗКОВОГО ШАССИ ВЕРТОЛЕТА

С. А. АЛИМОВ, В. Д. ЛИМОНЧИКОВ, С. А. МИХАЙЛОВ, Д. В. НЕДЕЛЬКО, С. В. САЛТЫКОВ

Обобщение результатов копровых испытаний полозковых шасси отечественных вертолетов. Исследование закономерностей поглощения энергии посадочного удара рессорами полозкового шасси. Основные рекомендации по условиям проведения копровых испытаний шасси данного типа.

Ключевые слова: вертолет, полозковое шасси, копровые испытания, поглощение энергии удара, работоемкость.

Отечественными и зарубежными специалистами проводятся исследования в области анализа нагружения конструкции полозкового шасси вертолета в процессе выполнения им авторотаци-

онной посадки, а также при проведении копровых испытаний [1, 2]. Актуальность таких исследований обусловлена общим повышением требований к безопасности и выживаемости экипажа и пассажиров вертолета при совершении вынужденной авторотационной посадки. На базе ЦАГИ авторами проведено расчетно-эксперимен-тальное исследование особенностей копровых испытаний полозкового шасси вертолета с учетом накопленного опыта таких испытаний для отечественных вертолетов. Вертолет с полозковым шасси представлен на рис. 1. Рассматривается конструкция полозкового шасси, которыми оснащено большинство легких вертолетов в мире. Шасси этого типа имеет переднюю и заднюю рессору из металлических труб.

НЕДЕЛЬКО Согласно Авиационным правилам, части 29 и 27 [3 и 4], при по-

Дмитрий Валерьевич глощении энергии посадочного удара допускается образование пла-кандидат технических наук, начальник бригады КВЗ

САЛТЫКОВ Сергей Васильевич

ведущий инженер ЦАГИ

АЛИМОВ Сергей Александрович

ведущий конструктор КВЗ

ЛИМОНЧИКОВ Вячеслав Дмитриевич

кандидат технических наук, начальник сектора ЦАГИ

МИХАИЛОВ Сергей Анатольевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой КНИТУ-КАИ

Рис. 1. Вертолет с полозковым шасси

стических деформаций в рессорах шасси. При этом способность шасси поглощать заданную энергию удара должна быть подтверждена копровыми испытаниями на сброс вертолета или его весового макета с нормированной высоты [3, 4].

На этапе проектирования конструкции вертолета целесообразно проведение копровых испытаний изолированных рессор шасси для уточнения их проектных параметров. При этом необходимо, чтобы заранее была задана работоемкость рессоры с учетом ее работы в составе конструкции полозкового шасси. На рис. 2, а показан общий вид стенда для проведения копровых испытаний изолированной рессоры. На рис. 2, б показана фотография рессоры, прошедшей испытания на сброс, где стрелкой указан ее остаточный прогиб после испытаний.

На этапе проектирования вертолета «Ансат» в ЦАГИ были проведены копровые испытания его изолированной трубчатой рессоры, изготовленной из высокопрочной стали с параметрами трубы R х 5 = 40 х 2.5 мм. Рассмотрим условия сброса изолированной рессоры. При моделировании процесса динамического нагружения рессоры необходимо учесть особенности ее упругопластического деформирования, когда имеется упругое ядро сечения 21 и вне ядра располагается зона пластичности (рис. 3).

В использованной в настоящей работе методике расчета [5] рессора моделируется как стержневая конструкция по теории больших перемещений стержней [6], доработанной для учета особенностей упруго-пластического деформирования материала. На рис. 4 показана расчетная схема.

На рис. 5 приведены результаты расчетного моделирования копровых испытаний, где с — наибольшее изгибное напряжение, измеренное в ходе испытаний в районе узла крепления рессоры к грузу. Как видно из представленных на рисунке результатов, процесс динамического нагружения рессоры может быть воспроизведен в расчетной модели с достаточной степенью точности. При этом в расчете использован приближенный учет направления силы трения, показанный на рис. 6, а, где величина коэффициента трения f = 0.1 соответствует данным рассматриваемого

эксперимента. На рис. 6, б приведена диаграмма обжатия рессоры шасси, построенная аналогично диаграмме обжатия колесного шасси [7]. Кривая 0АВ соответствует прямому ходу рессоры, кривая BCD — ее обратному ходу. Полученный гистерезис прямого и обратного хода объясняется образованием остаточных деформаций при поглощении энергии удара и наличием трения.

Рис. 2. Испытания рессоры на сброс: а — копер; б — рессора с остаточными деформациями

Рис. 3. Схема деформирования сечения рессоры

1Т

1 V

0

/ Р.У > ТР р/ \ 1Р /

Рис. 4. Расчетная схема:

О — вес сбрасываемого груза; V — вертикальная скорость перемещения груза; Р — величины реакций в зоне контакта рессоры с твердой опорной поверхностью; / — коэффициент тре-

ния фрагментов полозков об опорную поверхность; Т — подъемная сила, имитирующая разгрузку от несущего винта

Л да] І

2500

2000

1500

1000

500

X

1 7 \ \

X

Л

г" X к

1 X

О, даН/мм

120

100

80

60

40

20

а) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Л С 6)

{ X X V

/ \

\

X о

\

±1 У.

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Л С

Рис. 5. Сравнение результатов испытаний и расчетов: 1 — расчет; 2 — эксперимент

ЛдаН

./тр

0.08

0.04

-0 04

-0 08

-0.12

а) -1.5

2500

2000

1500

1000

500

,в

аА

/ /о Е

-1 -0.5

120

0 0.5 1 V, М/С 6) 0 40 80

Рис. 6. Схема учета смены направления силы трения (а); диаграмма обжатия рессоры шасси (б) Е, даН-м

400

300

200

100

3

\ 2 Е

1

воз I

1 10 т І

0.05 0.1 0.15 0.2

г. с

Рис. 7. Энергетические характеристики динамического нагружения

рессоры:

1 — кинетическая энергия; 2 — работа сил Р; 3 — суммарная энергия

Очевидно, что разница площадей фигур 0АВЕ и ВСВЕ соответствует уровню поглощенной рессорой работы с учетом рассеяния энергии при образовании пластических деформаций и при трении.

На рис. 7 показано изменение по времени энергетических характеристик процесса динамического нагружения рессоры. Точка t0 на рисунке соответствует моменту отскока рессоры, когда рессора с присоединенным грузом при обратном ходе движется вверх и ее консоли с фрагментами полозков (см. рис. 2) перестают контактировать с тензометрированными платформами стенда. На рис. 7 можно видеть соблюдение закона сохранения энергии вплоть до отскока рессоры на обратном ходе. Потенциальная энергия равна нулю, поскольку воспроизводимая в эксперименте разгрузка от несущего винта равна весу сбрасываемого груза Т = G (по заданным условиям эксперимента).

В работе [5] введены в рассмотрение энергетические параметры, характеризующие динамический процесс в момент отскока рессоры (т. е. в момент времени t0): Еп — поглощенная энергия; Евоз — возвращенная энергия и Ее — суммарная энергия. Комбинация введенных параметров, согласно [5], в совокупности определяет показатель энергопоглощающей способности рессоры полозкового шасси вертолета:

КЕ = 1 - Ев°з - Еп .

ее

Показатель Ке характеризует эффективность рессоры при поглощении заданной энергии за счет пластических свойств материала. При этом должны быть выполнены условия: Т = G (случай испытаний на располагаемую работоемкость, п. 29.727 [3]) и сила трения отсутствует (/тр = 0).

С помощью введенного показателя Ке исследуем закономерности поглощения энергии посадочного удара рессорой полозкового шасси. На рис. 8 представлены результаты расчета для рассмотренной рессоры вертолета «Ансат», а также для двух гипотетических рессор аналогичной геометрии, но с уменьшенной толщиной стенки трубы 5. Как видно из результатов расчета, уменьшение стенки трубы приводит к увеличению действующих изгибных напряжений, более интенсивному развитию пластических деформаций и «смягчению» ударного импульса (увеличение времени до отскока рессоры t01 < ^2 < ^3). Соответственно более интенсивному образованию пластических деформаций увеличивается значение показателя Ке , что показано в таблице.

Необходимо отметить, что в данной работе все расчеты выполнены применительно к изолированной рессоре для одного уровня заданной энергии посадочного удара.

Е, даН • м 400

300

' Х/\ " N

\ / \\\ : ✓ \ \ А / \ Л г / V \ \

\'\ / 1 ш/ Л 1  \ 2 / Л 3 / \ 4 Л № <"

ж 1ш \ V / / \

/ V г \ \! 'Л/ / / *03

200

100

0 0.1 0.2 0.3 />с

Рис. 8. Влияние толщины стенки на характер поглощения энергии

удара:

1 — суммарная энергия; 2 — расчет для трубы 40 х 2.5 мм; 3 —для трубы 40 х 2 мм; 4 — для трубы 40 х 1.5 мм

Труба (Я х 5) 40 х 2.5 мм 40 х 2.0 мм 40 х 1.5 мм

^шах^Р 1.29 1.34 1.44

КЕ 0.53 0.73 0.82

Далее рассмотрим влияние сил трения на поглощение энергии посадочного удара. На рис. 9 показано изменение показателя КЕ для гипотетической рессоры с параметрами трубы 40 х1.5 мм. Видно, что показатель Ке для пластических характеристик рессоры без трения соответствует эффективности упругой рессоры при уровне трения с / ^ 0.5. На рис. 9 отрезок ББ примерно

в два раза меньше отрезка СБ, что позволяет сделать вывод о большем влиянии сил трения на рассеяние энергии по сравнению с пластическими деформациями (при ^ 0.5).

На рис. 10 показано влияние сил трения и пластических характеристик рессоры на уменьшение скорости ее отскока после поглощения заданной работы. Отскок объясняется наличием вертикальной скорости движения груза с рессорой в конце ее обратного хода. Очевидно, что отскок рессоры неизбежен, поскольку в рассматриваемом случае присутствует постоянно действующая в процессе удара разгрузка Т = G, что обусловлено требованием норм [3]. Причем рассмотрена рессора с высоким показателем эффективности Ке = 0.82 (см. таблицу).

По данным рис. 9 и 10 видно, что уменьшение вертикальной скорости с 1.8 до 0.8 м/с достигнуто при высоком показателе Ке = 1.57 как с учетом чрезвычайно большого трения, так и с большой степенью пластических деформаций. Из анализа формулы (1) очевидно, что полное поглощение энергии удара возможно при Ке = 2. Теоретически возможен подбор характеристик рессоры для реализации параметра КЕ = 2 только за счет пластических деформаций, однако, как показывают результаты проектирования шасси отечественных вертолетов, практически это затруднено из-за ряда объективных факторов. К числу таких факторов относятся:

необходимость обеспечения статической прочности рессор шасси;

обеспечение требуемой их жесткости для предотвращения явления «земного резонанса» вертолета.

Далее рассмотрим особенности копровых испытаний не отдельных рессор, а полозкового шасси в сборе с учетом результатов работы [8].

На рис. 11 показано сравнение результатов натурных копровых испытаний полозкового шасси вертолета «Ансат» и расчетного моделирования данных испытаний. Вертолет «Ансат» спроектирован по требованиям норм АП-29 [3]. Копровые испытания проводились с использованием понятия эффективной массы макета вертолета, которое допускается параграфом 29.725 и позволяет учесть разгрузку от тяги несущего винта при ее отсутствии на испытательном стенде, чтобы получить требуемую работоемкость рессор полозкового шасси. Представленные результа-

о 0.2 0.4 0.6 /

'1 Рис. 10. Зависимость скорости отскока от времени при

Рис. 9. Зависимость КЕ от силы трения: р^личных шр^етрах трения:

, , , 1 — = 0; 2 — = 0.25; 5 — = 0.5; 4 — = 0.8

1 — расчет с учетом пластичности; 2 — без учета пластичности 7 тр 7 тр 7 тр 7 тр

Рис. 11. Нагрузка на консоли задней рессоры шасси: а — левая консоль; б — правая консоль

ты копровых испытаний соответствуют предельно задней центровке вертолета и предназначены для подтверждения прочности и работоемкости задней рессоры полозкового шасси.

Удовлетворительное совпадение величин нагрузок на консоль задней рессоры в расчете и эксперименте позволяет говорить о том, что на принятой расчетной модели полозкового шасси удается с достаточной точностью смоделировать копровые испытания. Дополнительно можно сказать, что при натурных копровых испытаниях полозкового шасси второй удар шасси о тензо-метрические платформы происходит только задней рессорой. Если осреднить величины экспериментальных нагрузок на консолях задней рессоры при втором ударе шасси об измерительные тензометрические платформы стенда, то получим величину нагрузки большую, чем нагрузка на каждую консоль при первом ударе. Расчетное моделирование копровых испытаний дает аналогичное увеличение нагрузки на консоли рессоры при втором ударе.

В требованиях норм [3, 4] указано, что при копровых испытаниях полозкового шасси с воспроизведением разгрузки, создаваемой несущим винтом, она должна действовать на протяжении удара. В процессе отскока разгрузка не действует. При этом понятие «эффективная масса» не используется и задается фактическая масса вертолета. Расчетное моделирование копровых испытаний шасси вертолета «Ансат» с разгрузкой, создаваемой несущим винтом, показало близкий характер распределения нагрузок в процессе копровых испытаний и при расчетном моделировании копровых испытаний с использованием понятия «эффективной массы». Величины нагрузок на переднюю и заднюю рессоры полозкового шасси представлены на рис. 12.

Для сравнения полученных результатов выполнено расчетное моделирование копровых испытаний полозкового шасси отечественного легкого вертолета с максимальной взлетной массой

Рис. 12. Нагрузки на консоли рессор шасси вертолета «Ансат»: а — задняя рессора; б — передняя рессора

около 1500 кг, спроектированного по требованиям норм АП-27 [4]. Рессоры шасси данного вертолета изготовлены из высокопрочного алюминиевого сплава. В расчете учтена конструктивная особенность, состоящая в разности высот передней и задней рессор. С целью верификации расчетной модели в части упругопластического деформирования выполнен расчет статического обжатия рессор шасси вертолета. Сравнение расчетных и экспериментальных диаграмм статического обжатия рессор полозкового шасси показано на рис. 13.

Расчетные диаграммы статического обжатия алюминиевых рессор были построены для различных значений предела прочности св сплава. Более близкое совпадение расчетных и экспериментальных диаграмм получено для сплава с пределом прочности св = 70даН/мм 2

Величины нагрузок на рессоры полозкового шасси при расчетном моделировании копровых испытаний с предельно задней центровкой с учетом разгрузки, создаваемой несущим винтом, представлены на рис. 14. Указанные результаты получены по расчетной модели, верифицирован-

Рис. 13. Диаграммы статического обжатия рессор легкого вертолета: а - задняя рессора; б - передняя рессора

а) 0 0.25 0.5 0.75 Л с б) 0 0.25 0.5 0.75 /, с

Рис. 14. Нагрузка на консоли рессор шасси: а — задняя рессора; б — передняя рессора

а) 0 0.25 0.5 0.75 '>с б) о 0.25 0.5 0.75 '<с

Рис. 15. Изменение угла тангажа: а — вертолет «Ансат»; б — легкий вертолет

ной на основе приведенных выше данных по копровым испытаниям полозкового шасси вертолета «Ансат».

Изменение угла тангажа при расчетном моделировании копровых испытаний полозкового шасси с рессорами из стали и алюминиевого сплава представлено на рис. 15.

Анализ результатов, приведенных на рис. 12, 14 и 15, выявляет общую тенденцию к отскоку вертолета после поглощения энергии первого посадочного удара. В выполненных расчетах учтено, что разгрузка от несущего винта действует только во время посадочного удара, а во время отскока ее величина равна нулю. При этом в зависимости от расположения центра тяжести вертолета относительно передней и задней рессор шасси и уровня энергии посадочного удара отскок может сопровождаться более или менее интенсивным нарастанием угла тангажа. При наличии положительного угла тангажа второй посадочный удар приходится только на заднюю рессору (при рассмотренном сбросе с предельно задней центровкой), из-за чего задняя рессора оказывается более нагруженной, чем при первом ударе. Таким образом, отскок после первого посадочного удара, обоснованный выше для копровых испытаний изолированной рессоры, наблюдается и при испытаниях всего шасси в сборе. Очевидно, что данное обстоятельство должно быть учтено при разработке методики проведения копровых испытаний шасси в сборе. В частности, диапазон перемещений центра тяжести вертолета при посадочных ударах и при отскоке должен быть учтен в процессе разработки системы разгрузки на стенде. Для этого необходимо предварительное моделирование условий проведения копровых испытаний шасси в сборе с применением заранее верифицированной расчетной модели, учитывающей все необходимые факторы динамического нагружения конструкции полозкового шасси.

В заключение отметим отличительную особенность нагружения рессор шасси при проведении их копровых испытаний по изолированной схеме и для шасси в сборе. На рис. 16 показано сравнение эпюр наибольших изгибающих моментов по длине задней рессоры полозкового шасси вертолета «Ансат» при указанных схемах испытаний. Сравнение показывает, что по концам рессоры в зоне ее крепления к полозкам (для шасси в сборе) имеются сосредоточенные изгибающие моменты, обусловленные деформациями передней рессоры, передаваемыми на заднюю рессору через кручение полозков. Для случая сброса шасси с предельно задней центровкой величина

Рис. 16. Эпюры изгибающего момента по длине задней рессоры: а — изолированная рессора; б — шасси в сборе

сосредоточенных моментов не столь существенна. Однако при сбросе с имитацией продольной скорости вертолета такие сосредоточенные моменты могут быть значительными и привести к дополнительному нагружению одной из рессор.

Таким образом, проведение копровых испытаний изолированных рессор оправдано только на этапе проектирования шасси для отладки его основных конструктивных параметров. На этапе же сертификации изделия требуется проведение более корректных копровых испытаний шасси в сборе с целью учета влияния всех основных силовых факторов, связанных с перераспределением нагрузок между элементами статически неопределимой конструкции полозкового шасси. При этом реализация на стенде разгрузки от несущего винта является предпочтительной по сравнению с использованием понятия «эффективной массы».

ЛИТЕРАТУРА

1. Александрин Ю. С., Тимохин В. П. Методика и некоторые результаты исследования особенностей характеристик посадочного удара вертолета с учетом свойств поверхности посадочной площадки // Вертолеты. Труды ОКБ Московского вертолетного завода им. М. Л. Миля. — М.: Машиностроение, 2010, 390 с.

2. Martin S. Annet. LS-DYNA analysis of full-scale helicopters crash test // 11th International LS-DYNA Users Conference. — June 06-08, 2010.

3. Нормы летной годности винтокрылых аппаратов транспортной категории. Авиационные правила. Ч. 29. Межгосударственный авиационный комитет. — М.: Изд. ОАО «Авиа-издат», 2003.

4. Нормы летной годности винтокрылых аппаратов нормальной категории. Авиационные правила. Ч. 27. Межгосударственный авиационный комитет. — М.: Изд. ОАО «Авиаиз-дат», 2000.

5. Неделько Д. В. Энергетический анализ работоемкости рессор полозкового шасси вертолета по результатам копровых испытаний // Научно-технический вестник Поволжья. —

Казань. 2012. № 2.

6. Павлов В. А., Михайлов С. А., Гайнутдинов В. Г. Теория больших и конечных перемещений стержня // Изв. вузов. Авиационная техника. 1985. № 3, с. 55—58.

7. Астахов М. Ф., Караваев А. В., Макаров С. Я., Суздальцев Я. Я.

Справочная книга по расчету самолета на прочность. — М.: Оборонгиз, 1954., 708 с.

8. Коротков Л. В. Расчетно-экспериментальное обеспечение проектирования и проведения копровых испытаний полозкового шасси вертолета // Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. — Казань, 2011, 205 с.

9. Михайлов С. А., Коротков Л. В., Алимов С. А., Неделько Д. В. Моделирование посадки вертолета на полозковом шасси с учетом второго посадочного удара // Изв. вузов. Авиационная техника. 2010. № 3, с. 13 —16.

Рукопись поступила 27/III2012 г.