МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 2 • 2011
УДК 533.6.013.42
© 2011 г. С.В. ЛЕОНОВ, В.И. МОРОЗОВ, А.Т. ПОНОМАРЕВ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРАШЮТОВ
Проводится обобщение дискретной упругой схемы для расчета на ЭВМ в автоматизированном режиме формообразования, напряженно-деформированного состояния и коэффициентов запаса прочности элементов конструкции однооболочковых парашютов различных раскройных форм купола с учетом их конструктивных особенностей. Основой разрабатываемых алгоритмов и программ служат эскизная схема конструкции парашюта, метод сосредоточенных масс и база данных массовых, жесткостных и прочностных характеристик конструкционных парашютных материалов. В качестве конструктивных особенностей парашютов рассматриваются щели и конструктивные вырезы на куполе, нерегулярные структуры силовых каркасов, рифление, специальные карманы на входной кромке купола, неплоские раскройные формы купола, применение наряду с внешними основными стропами внутренних строп, в том числе центральных, купол, состоящий из различных тканей, обладающих различной прочностью и воздухопроницаемостью и другие. Могут быть рассмотрены эксплуатационные и боевые повреждения конструкции парашюта, влияющие на его живучесть. Возможности автоматизированной расчетной системы демонстрируются на конкретных примерах.
Ключевые слова. Парашют, конструктивные особенности, моделирование, метод сосредоточенных масс, формообразование, прочность.
1. Введение. Современное развитие авиакосмической техники и увеличение числа практических задач, решаемых ей, требует широкого применения парашютных систем (ПС) различного назначения. В частности, речь идет о десантировании из военно-транспортных самолетов (ВТС) объектов массой от 500 кг до 32 т с высот от 8000 м до 150 м. Это ведет к дальнейшему конструктивному усложнению средств десантирования (СД), к поиску новых технических решений [1]. Поэтому разработку новых объектов десантирования необходимо осуществлять параллельно с созданием наиболее рациональных как по конструктивным, так и по эксплуатационным и стоимостным характеристикам СД. Это возможно только при широком внедрении в расчетную практику парашютостроения нового научного метода — математического моделирования и вычислительного эксперимента на ЭВМ [2—5].
В зависимости от характеристик десантируемых объектов основными требованиями, предъявляемыми к парашютным СД, являются: обеспечение сохранности объекта во всем диапазоне условий применения, под которыми понимаются вид и масса объекта, тип используемого ВТС, высота и скорость его полета при десантировании, высота площадки приземления над уровнем моря, параметры атмосферы, скорость ветра в атмосферных слоях снижения объекта на уровне площадки приземления; обеспечение минимального времени подготовки объекта к десантированию и перевода его в рабочее состояние после приземления. Кроме того, к самим ПС также выставляются
условия: надежность в эксплуатации; оптимальность по массе и габаритным размерам в уложенном состоянии; по возможности унифицированность, т.е. возможность использования для десантирования широкой номенклатуры объектов.
Следует отметить, что традиционный способ проектирования и создания ПС на основе подходов, ориентированных в основном на дорогостоящие и длительные по времени трубный эксперимент и летно-экспериментальную отработку практически исчерпал себя [6]. В силу ограниченных возможностей наземных экспериментальных установок и летного эксперимента, их дороговизны и длительности в парашютострое-нии в последнее время в связи с быстро растущими возможностями вычислительной техники интенсивно развивается новое направление, полагающееся на создание и опережающее формирование и использование структурных математических моделей (ММ) компоновок "самолет + объект + ПС", "объект + ПС" (их "математических (электронных) дублеров") на основе новой методологии научных исследований. Она базируется, как уже отмечалось, на широком применении и синтезе современных численных методов механики сплошной среды (аэродинамики, теории упругости и баллистики), т.е. на новых расчетных информационных технологиях, так называемых CALS-технологиях (Continuous Acquisition and Life-cycle Support), целью которых является сопровождение всего жизненного цикла изделия, начиная от этапа проектирования и заканчивая его утилизацией [7].
Необходимо также отметить, что в связи с тем, что массы десантируемых, спасаемых объектов и объектов торможения растут, важное значение приобретают вопросы влияния ПС на саму несущую конструкцию, т.е. на ее прочностные и летно-техниче-ские характеристики, определения условий ее пилотирования при выполнении задач десантирования, спасения груза или торможения, предельных возможностей по массе десантируемого груза. Здесь речь идет о создании структурных ММ функционирования компоновок "самолет + ПС" при посадке или спасении самолета, "самолет + + объект + ПС" при страгивании и движении объекта по грузовой кабине под действием ПС [3—5].
Сущность данной информационной технологии и ее главное преимущество состоит в замене исходной технической системы соответствующим адекватным математическим аналогом и дальнейшим экспериментированием над ним с помощью вычислительно-логических алгоритмов. Такой путь в итоге позволяет сократить сроки создания парашютной техники и существенно удешевить сами проекты, а также облегчить поиск новых технических решений.
Проблема создания структурной ММ функционирования компоновки "объект + ПС", несмотря на интенсивное использование современных информационных технологий, связана с большими трудностями в силу ее нелинейности в целом. Нерешенными в теоретическом плане остается еще ряд актуальных задач, среди которых центральное место занимает процесс раскрытия (наполнения) парашюта. Этот процесс является важнейшим этапом работы ПС. Именно на нем реализуются максимальные аэродинамические нагрузки, по которым ведется расчет прочностных характеристик элементов конструкции ПС, хотя и здесь наметились успехи [8, 9].
Таким образом, качество создания структурной ММ функционирования компоновки "объект + ПС", ее адекватность реальным условиям эксплуатации зависит от достоверности закладываемой в нее научной информации от различных разделов механики сплошной среды — аэродинамики, теории упругости и баллистики.
Несмотря на то, что задачи формообразования и напряженно-деформированного состояния (НДС) ПС, обтекания и динамики движения компоновки "объект + ПС" являются составными частями проблемы нестационарной нелинейной аэроупругости парашютов, в то же время, они представляют самостоятельные разделы механики
сплошной среды (теории мягких оболочек, отрывных течений и динамики движения) и могут решаться раздельно.
Так как изделия парашютной техники относятся к сложным техническим устройствам с высокими требованиями к их надежности, то одной из важнейших задач при проектировании ПС является задача оценки прочности составных элементов ее конструкции. При этом ошибки в оценке прочности проектируемой конструкции парашюта приводят к увеличению сроков и стоимости разработки. Не менее важная задача заключается также в необходимости минимизации ПС по массе.
Имеются различные подходы к формированию расчетных упругих моделей парашютов [5]. Для большинства мягких конструкций, включая ПС, из-за их конструктивных особенностей упругие модели удается построить лишь посредством создания расчетных дискретных упругих схем на основе численных методов: конечных разностей и конечных элементов. В последнее время для расчета формообразования и НДС парашютов широкое применение получил метод сосредоточенных масс [10]. В соответствии с ним вся конструкция ПС представляется в виде пространственно расположенных материальных узловых точек (масс), соединенных между собой невесомыми упругими стержнями (нитями), работающими только на растяжение. Такой подход в сочетании с методом установления сводит решение задачи формообразования и НДС парашюта к интегрированию векторного уравнения динамики точки с прилегающими к ней упругими невесомыми связями с соседними точками при известной внешней нагрузке (перепаде давлений). Интегрирование осуществляется по явной схеме путем последовательного обхода всех материальных точек дискретного расчетного упругого аналога, что позволяет при заданной точности относительно быстро и просто реализовать решение задач формообразования и НДС парашютов на ЭВМ.
Что касается расчета ПС на прочность, то до последнего времени основным являлся интегральный метод (метод сечений) [6]. Согласно ему исходными данными для расчета парашюта на прочность служат: среднее значение максимальной аэродинамической нагрузки, действующей на максимальном по нагрузке режиме, фаза раскрытия парашюта, соответствующая моменту действия на парашют максимальной аэродинамической нагрузки, которая задается диаметром опасного сечения купола парашюта, коэффициенты безопасности и потери прочности конструкционного материала, зависящие от назначения и области применения парашюта.
Следует сказать, что интегральный метод оценки прочности парашюта идеально подходит только к парашюту плоский круг в раскрое. Для других раскройных форм купола имеется либо ряд ограничений, либо данный метод вообще не применим. К недостаткам метода можно отнести также то, что в нем не учитываются место расположения лент кольцевого каркаса на куполе, а только число лент, попавших в зону опасного сечения, их суммарная прочность, конструктивные особенности парашюта.
В свое время на базе алгоритмов и программ, в основе которых лежат методы сосредоточенных масс (МСМ) и вихревых рамок (МВР) [11, 12] и их синтез, была разработана система "Купол" автоматизированного расчета на ЭВМ формообразования, НДС однооболочковых парашютов различных раскройных плоских форм и их аэродинамических характеристик [13]. Система состоит из двух расчетных модулей: упругости и аэродинамики. В системе "Купол" программно реализованы:
— алгоритмы автоматизированного построения идеализированных дискретных расчетных упругих схем однооболочковых
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.