Лекция 14. Модели процесса усталостного нагружения частей ВС в эксплуатации

Вопрос 1. Нагрузки, усилия, напряжения, действующие на ВС

Действующие нагрузки можно разделить на функциональные, определяемые типовым полетом, и нагрузки, определяемые состоянием среды (порывами и неровностями).

Скорость вертикального порыва ветра и высота неров­ностей аэродрома являются случайными функциями расстоя­ния , измеряемого в направлении движения самолета. Учитывая, что , преобразуем их в функции времени и .

Нагрузки, определяемые и , совместно с нагрузками, найденными из условий равновесия ЛА в маневренном и горизон­тальном полетах и на земле (изучаются в дисциплине «Конструкция и прочность ЛА»), обусловливают перегрузки, усилия и напряжения в силовых элементах, которые являются случайными функциями времени, например, , , .

Функции и определяются внешними условиями (турбулентностью атмосферы, неровностью поверхности аэродрома) и не зависят от параметров самолета. Функции , , определяются внешними условиями и параметрами самолета и представляют собой реакции самолета на внешние воздействия. В настоящее время для анализа условий нагружения применяются две расчетные модели: модель непрерывного процесса нагружения и модель дискретного процесса нагружения.

Вопрос 2. Виды усталостного нагружения

Усталость частей конструкции ЛА определяется числом повторений и значениями нагрузок, действующих в разных условиях эксплуатации, например:

для шасси — нагрузками при посадке, пробеге и рулении по неровностям аэродрома;

для крыла — нагрузками, передаваемыми от шасси и вызывае­мыми турбулентностью атмосферы (порывами), нагрузками при маневрах, а также нагрузками от двигателей, если они установлены на крыло;

для фюзеляжа — нагрузками, передаваемыми от двигателей, шасси, оперения, а также от избыточного внутреннего давления.

Для частей самолета, находящихся вблизи двигателей, дополнительно учитываются акустические и вибрационные нагрузки.

Вопрос 3. Модель непрерывного нагружения

Процессы, характеризующие внешние условия, представляются как случайная последовательность участков, на каждом из которых и являются стационарными случайными процессами (стационарный процес характеризуется независимостью среднего значения и дисперсии от времени). Самолет в этом случае рассматривается как линейная динамическая система, параметры которой рассчитываются для конструкции планера. Процессы изменения напряжений в силовых элементах конструкции определяются как реакции этой системы на входные воздействия – случайные функции времени и .

Анализ процессов и производятся методами теории случайных процессов.

Основными числовыми характеристиками стационарного случайного процесса являются:

- среднее значение – математическое ожидание ;

- центрированная случайная функция с нулевым математическим ожиданием ;

- корреляционная функция ;

- спектральная плотность процесса ;

- дисперсия процесса .

Как показывают испытания, долговечность изделий при случайном нагружении существенно зависит от параметра сложности процесса , определяемого как отношение средних за единицу времени чисел экстремумов , и пересечений нулевого уровня (рис.120):

.

Для процессов изменения напряжений в силовых элементах конструкций ЛА обычно .

Рис.120. Стационарный случайный процесс и его характеристики:

- пересечения нулевого уровня; - экстремумы

Скорость вертикального порыва ветра как случайная функция расстояния в направлении движения самолета описывается зависимостью ,

где - круговая частота.

Все характеристики должны быть получены для всех стационарных участков типового полета и движения самолета по ВПП. В простейшем случае для полета принимаются три исходных значения , соответствующие грозовой, облачной и ясной () погоде, и указываются доли времени для них. Для характеристики аэродрома составляются картотеки значений (для каждой ВПП в отдельности или осредненные по классам). Применительно к проектируемому самолету указывается частота взлетов – посадок на соответствующие ВПП.

При описании модели непрерывного процесса нагружения указываются вероятностные характеристики последовательности стационарных участков, каждый из которых характеризуется средним значением напряжения , спектральной плотностью , продолжительностью :

.

Система этих участков представляет собой блок нагружения, используемый при расчете как модель нагружения в типовом полете.

Вопрос 4. Модель дискретного процесса нагружения

Доля времени, проведенного самолетом в условиях значительной турбулентности, невелика. Например, в течение 2 – 3 - часового полета среднемагистрального самолета в среднем лишь 3—5 раз пик перегрузки, вызваной вертикальными порывами, выходит за пределы . Условия дискретного нагружения описываются функцией , определяющей число порывов ветра с вертикальной скоростью , превышающей предельные порывы со скоростью и зависящей от высоты полета (рис. 121). При известной скорости полета повторяемость превышений, отнесенная к единице расстояния (обычно 100 км), пересчитывается в повторяемость, отнесенную к единице времени , (обычно 1 ч):

Рис. 121. Диаграмма повторяемости вертикальных порывов

Различают три вида повторяемости — для грозовой, облачной ясной погоды и для каждого указывается относительная продолжительность. Для ясной погоды .

За модель процесса нагружений принимается детерминированный (детерминированные - динамические системы, состояние элементов которых в данный момент времени полностью определяет их состояние в любой предыдущий или следующий момент) времени типовой полет с зафиксированными продолжительностью и профилем. Типовой полет разбивается на участки , в пределах которых условия нагружения принимаются постоянными. Выделяют, например, участки полета на постоянной высоте; участки, на которых выпушена механизация (это существенно изменяет картину распределения нагрузки и на крыло и на оперение); участки, на которых выполняются маневры, и др. Для каждого выделенного участка продолжительностью весь диапазон скоростей порывов W разбивается на несколько интервалов j границами и , где .

Среднему значению соответствует суммарная повторяемость всех порывов со скоростями, лежащими в этом интервале:

В дальнейших расчетах может рассматриваться, например, «жесткая» модель самолета. Тогда один порыв со скоростью вызывает один цикл изменения со средним напряжением и амплитудой .

Дата добавления: 2014-12-16