Выбор и обоснование перспективных биоподобных конструктивно-силовых схем крыла из полимерных композиционных материалов

Аннотация

Повышение характеристик летательного аппарата возможно не только благодаря улучшению его аэродинамических показателей и разработке новых компоновок, но и оптимизации силового каркаса. В частности, улучшить удельные характеристики планера можно, применяя новые передовые полимерные композиционные материалы, а также разрабатывая и используя принципиально новые конструктивно-силовые схемы. К таким схемам относятся перспективные биоподобные конструкции. Развивающиеся технологии производства могут обеспечить изготовление таких конструкций. Рассмотрены перспективные варианты конструктивно-силовых схем классического и биоподобного типов, позволяющие уменьшить массу, не снижая прочностные показатели. Разработаны семь схем классической компоновки с прямо- и криволинейными силовыми элементами, явно выраженными лонжеронами, нервюрами, стенками, а также семь схем, направление установки и форма элементов которых основаны на форме крыльев насекомых, при этом по результатам предварительных расчетов учтены действующие нагрузки и распределения напряжений. Преимущество крыльев биоподобного типа по сравнению с классическими составляет ~ 32 % по массе. Работа является начальным этапом в области перспективных конструктивно-силовых схем. Полученные результаты позволят смоделировать сложную структуру крыльев

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Барановски С.В., Мьоу Т.З. Выбор и обоснование перспективных биоподобных конструктивно-силовых схем крыла из полимерных композиционных материалов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2023, № 3 (146), c. 15--28. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2023-3-15-28

Литература

[1] Агеева Т.Г., Дудар Э.Н., Резник С.В. Комплексная методика проектирования конструкции крыла многоразового космического аппарата. Технология машиностроения, 2021, № 3, с. 34--36.

[2] Найнг Лин Аунг, Пху Вэй Аунг, Татарников О.В. Выбор оптимальной конструктивно-силовой схемы крыла беспилотного летательного аппарата. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2020, № 11 (728), с. 89--95. DOI: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2020-11-89-95

[3] Reznik S.V., Esetbatyrovich A.S. Composite air vehicle tail fins thermal and stress-strain state modeling. AIP Conf. Proc., 2021, vol. 2318, no. 1, art. 020012. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0036561

[4] Гузева Т.А., Малышева Г.В. Особенности разработки конструкторско-технологических решений при проектировании деталей из полимеров и композитов. Технология металлов, 2022, № 4, с. 34--41. DOI: https://doi.org/10.31044/1684-2499-2022-0-4-34-41

[5] Baranovski S.V., Mikhailovskiy K.V. Selection and justification of polymer composite wing load-bearing elements design parameters with material anisotropy and airload. IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng., 2020, vol. 934, art. 012021. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/934/1/012021

[6] Лин Аунг Найнг, Татарников О.В., Вэй Аунг Пху. Многокритериальная оптимизация композитного крыла беспилотного летательного аппарата. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2021, № 11 (740), с. 91--98. DOI: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2021-11-91-98

[7] Ведерников Д.В., Шаныгин А.Н. Анализ прочности перспективных конструкций крыла регионального самолета на основе параметрических моделей. Вестник МАИ, 2022, т. 29, № 2, с. 61--76. DOI: https://doi.org/10.34759/vst-2022-2-61-76

[8] Baranovski S.V., Mikhailovskiy K.V. The methods of designing an ultralight carbon fiber wing using parametrical modeling. AIP Conf. Proc., 2021, vol. 2318, no. 1, art. 020003. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0036074

[9] Сорокин Д.В., Бабкина Л.А., Бразговка О.В. Проектирование элементов конструкций различного назначения на основе топологической оптимизации. Космические аппараты и технологии, 2022, т. 6, № 2, с. 61--82. DOI: https://doi.org/10.26732/j.st.2022.2.01

[10] Zhu J.H., Zhang W.H., Xia L. Topology optimization in aircraft and aerospace structures design. Arch. Computat. Methods Eng., 2016, vol. 23, no. 4, pp. 595--622. DOI: https://doi.org/10.1007/s11831-015-9151-2

[11] Cheng B. Flying of insects. In: Bioinspired structures and design. Cambridge, Cambridge University Press, 2020, pp. 271--299. DOI: https://doi.org/10.1017/9781139058995.012

[12] Юргенсон С.А., Ломакин Е.В., Федулов Б.Н. и др. Конструкционные элементы на основе метаматериалов. Вестник ПНИПУ. Механика, 2020, № 4, с. 211--219. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.4.18

[13] Азаров А.В., Бабичев А.А., Разин А.Ф. Оптимальное проектирование сетчатой композитной панели крыла самолета при одноосном сжатии. Механика композиционных материалов и конструкций, 2020, т. 26, № 4, с. 490--500. DOI: https://doi.org/10.33113/mkmk.ras.2020.26.04.490_500.04

[14] Барановски С.В., Михайловский К.В. Структурно-оптимизированная конструкция крыла из полимерных композиционных материалов. Часть 1. Криволинейные силовые элементы. Ученые записки ЦАГИ, 2020, т. 51, № 2, с. 79--86.

[15] Stanford B.K., Jutte C.V., Coker C.A. Aeroelastic sizing and layout design of a wingbox through nested optimization. AIAA J., 2019, vol. 57, no. 2, pp. 476--481. DOI: https://doi.org/10.2514/1.J057428

[16] Dubois A., Farhat C., Abukhwejah A.H. Parameterization framework for aeroelastic design optimization of bio-inspired wing structural layouts. 57th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conf., 2016, vol. 2016--0485. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2016-0485

[17] Zhao W., Kapania R.K. Bilevel programming weight minimization of composite flying-wing aircraft with curvilinear spars and ribs. AIAA J., 2019, vol. 57, no. 6, pp. 2594--2608. DOI: https://doi.org/10.2514/1.J057892

[18] Doyle S., Robinson J., Ho V., et al. Aeroelastic optimization of wing structure using curvilinear spars and ribs (SpaRibs) and SpaRibMorph. 58th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conf., 2017, AIAA 2017-1303. Boston, 2017. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2017-1303

[19] Song L., Gao T., Tang L., et al. An all-movable rudder designed by thermo-elastic topology optimization and manufactured by additive manufacturing. Comput. Struct., 2021, vol. 243, art. 106405. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2020.106405

[20] Saito K., Nagai H., Suto K., et al. Insect wing 3D printing. Sc. Rep., 2021, vol. 11, art. 18631. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-98242-y

[21] Михайловский К.В., Барановски С.В. Методика проектирования крыла из полимерных композиционных материалов на основе параметрического моделирования. Часть 1. Обоснование выбора геометрических размеров и расчет аэродинамических нагрузок на крыло. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2016, № 11 (680), с. 86--98. DOI: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2016-11-86-98

[22] Барановски С.В., Михайловский К.В. Оптимизация основных геометрических характеристик силовых элементов крыла из полимерных композиционных материалов. Ученые записки ЦАГИ, 2019, т. 50, № 3, с. 87--99.

[23] Hoffmann J., Donoughe S., Li K., et al. A simple developmental model recapitulates complex insect wing venation patterns. PNAS, 2018, vol. 115, no. 40, pp. 9905--9910. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1721248115