Проект по перепроектированию конструкции планера гидросамолёта с целью снижения затрат в производстве.

Проект по перепроектированию шпангоутов гидросамолёта из клёпаной конструкции в конструкцию с максимально возможным использованием фрезерованных деталей для снижения стоимости изготовления конструкции самолёта в серийном производстве был осуществлён ИЦ ИКАР в 2015 г.

В качестве первой задачи Заказчиком был предложен гермошпангоут самолёта. Не дожидаясь окончания работ по первому заданию в дополнение к гермошпангоуту были также переданы 3 типовых шпангоута, у которых перепроектировалась с клёпанной на фрезерованную конструкцию нижняя часть.

Выполнение проекта.

Работа сводилась к выполнению следующих задач:

 

По гермошпангоуту в дополнение к вышеперечисленным задачам добавлялась задача прочностной оценки вновь разрабатываемой конструкции, путём создания конечно-элементной модели шпангоута для определения напряженно-деформированного состояния вновь разработанной конструкции и её весовой оптимизации.  

Существующий гермошпангоут (рис.1) представляет собой клёпаную сборочную единицу, состоящую из стенок, профилей, усиливающих стоек и других деталей. Отдельными сборками включены горизонтальные Балки №1 и №2, вертикальные Балки №3. В отличие от конструкции гермошпангоутов традиционных пассажирских самолётов гермошпангоут этого самолёта выполнен плоским, поэтому основная функция вертикальных и горизонтальных балок — это удержание шпангоута от изгиба под нагрузкой от избыточного давления.

0
Рисунок 1 – Существующий шпангоут.
Данный проект был первым в ИЦ ИКАР, в котором в соответствие с требованием заказчика использовалось отличное от используемого на Airbus программное обеспечение – Unigraphics  в качестве CAD-системы и Teamcenter в качестве PDM-системы.  

Уже на начальном этапе было отмечено, что постановка задачи, предложенная заказчиком – снижение стоимости в производстве за счёт перехода к цельно фрезерованной конструкции, является не совсем полной.

Было очевидно, что выполнение задачи по снижению стоимости в производстве может быть осуществлено путём выполнения следующих задач:

 

Риск увеличения массы конструкции.

На начальном этапе проектирования конструкции была идентифицирована серьёзная угроза увеличения массы конструкции, которая определялась технологическими ограничениями, в первую очередь, тем, что минимально допустимая толщина стенок у фрезерованной конструкции – 1,5 мм, тогда как в существующей конструкции он была 1,2 мм.

Был сделан вывод, что компенсировать тенденцию увеличения массы конструкции шпангоута возможно только за счёт снижения массы балок, где в отличие от самого шпангоута имеется больше свободы для изменений.

Были рассмотрены несколько концепций для горизонтальных балок, представленных на рисунках ниже.

1
Рисунок 2 – Вариант 1 – Конструкция наиболее близкая к исходной.
2
Рисунок 3 – Вариант 2 – С отверстиями облегчения.
3
Рисунок 4 – Вариант 3 – Ферменная конструкция.
4
Рисунок 5 – Вариант 4 – Гибридная конструкция.
Проведённый анализ предложенных конструкций Балки №2 показал, что «Гибридная конструкция» (Вариант 4) не даёт никаких преимуществ, а Вариант №1 является самым консервативным, плохо соответствующим способу изготовление – фрезерование из плиты.

Таким образом, заказчику были предложены Вариант №2 и №3 как наиболее подходящие для фрезерования и перспективные с точки зрения снижения массы.

Решающим значением при определении конструкции Балки №3 явилось то, что она участвует в окантовке двери. В случае её изготовление отдельно от конструкции стенки шпангоута  появлялись бы дополнительные детали для перестыка с горизонтальными балками, окаймляющими вырез под дверь.

Соответственно было принято решение, что конструкция Балки №3 должна быть выполнена таким образом, что её нижний пояс должен стать частью фрезерованной конструкции стенки шпангоута и быть выполнен заодно с горизонтальными балками окантовки выреза под дверь, а верхний пояс, стенка шпангоута и рёбра жёсткости должны быть выполнены отдельной деталью.  Это позволяло выполнить балку с обработкой только с одной стороны.  

Были рассмотрены 2 концепции для вертикальной балки, аналогичные Вариантам 1 и 2 для горизонтальных балок.

7
Рисунок 6 – Вариант 1 – Конструкция наиболее близкая к исходной.
6
Рисунок 7 – Вариант 2 – С отверстиями облегчения.
Конструкция с отверстиями облегчения с окантовкой буртиком была предложена как наиболее предпочтительная с точки зрения массы конструкции и используемой технологии изготовления.  

Тем не менее, заказчиком был сделан выбор в пользу наиболее близкого к исходному конструктивного решения по всем балкам.  

После выбора варианта конструкции началась работа по конструкторской проработке и прочностному анализу. Первым делом в конструкцию включены отверстия и дублёры, устанавливаемые для прохождения систем, которые пока устанавливаются отдельно.  

Был предложен и согласован с технологами Заказчика метод сборки по сборочным отверстиям. В связи с этим во всех вновь спроектированных деталях были выполнены сборочные и пилотные отверстия.  

Предлагаемый порядок сборки, предложенный инженерами ИЦ ИКАР, выглядит следующим образом:  

  1. Сборочные отверстия на горизонтальной балке совмещается со сборочными отверстиями на стенке шпангоута и сборочными отверстиями на фланце кронштейна, прилегающего к стенке шпангоута.
  2. Вертикальная балка прижимается к стенке нижнего пояса балки, являющегося частью конструкции стенки шпангоута, и её сборочные отверстия совмещаются со сборочными отверстиями кронштейна.
  3. После того, когда вся конструкция зажимается струбцинами, отверстия под крепёж сверлятся по имеющимся пилотным и сборочным отверстиям в стенке шпангоута, балке и кронштейнах.
 

Такой порядок позволяет, по мнению ИЦ ИКАР, выполнить всю сборку шпангоута одним рабочим.

8
Рисунок 8 – Сборка шпангоута по сборочным отверстиям.

Конструкция стенки шпангоута.

На начальном этапе было рассмотрено несколько вариантов размещения рёбер жёсткости.

Было принято решение сохранить существующее расположение рёбер, чтобы избежать их пересечений, дающих увеличения массы.

9

Рисунок 9 – Образование лишнего материала в зоне пересечения рёбер.

Регулярные рёбра шпангоута совпадают рёбрами исходной конструкции. Для недопущения «хлопунов» при обработке на тонкой стенке пришлось выполнить дополнительные горизонтальные технологические рёбра.

10
Рисунки 10 – Основные и технологические горизонтальные рёбра стенки шпангоута.
Для вновь разрабатываемой конструкции было принято решение, что стойки флора должны стать частью фрезерованной стенки. В первом приближении было предложено продлить вертикальные рёбра до пересечения их со стойками флора.
11
Рисунки 11 – Вариант конструкции стоек флора днищевой части шпангоута.
В последствие эту конструкцию пришлось откорректировать по результатам прочностного анализа.

Уже по предварительным прочностным статическим расчётам выявили высокие концентрации напряжений в зонах окончания рёбер. Были решено использовать принципы создания высокоресурсных конструкций, применяемых на Airbus. В результате в конструкции появились плавные переходы толщин и другие особенности.

12
Рисунки 12-13 – Переходы толщин стенки шпангоута.
Одной из важных особенностей фрезерованных конструкций является то, что конструкция не должна иметь выступающих за общую толщину выступающих элементов. Это позволяет установить её на столе без подкладок.

Конструкция стенки шпангоута характеризуется тем, что одна из сторон выполнена с одинаковой высотой выступающих элементов: пояс, высота горизонтальных рёбер и пр. Обратная сторона имеет вступающие элементы: увеличение высоты пояса, но это допустимо, поскольку при соблюдении нужного порядка обработки, было возможно обойтись без подкладок при фрезерование.

13
Рисунки 14-15 – Окончательная конструкция Балки №1.
14
Рисунки 16-17 – Окончательная конструкция Балки №2.
Balka_N3
Рисунок 18 – Окончательная конструкция Балки №3.
16
Рисунки 19-20 – Вся конструкция стенки шпангоута.

Работа по прочности.

В качестве исходных данных были предоставлены результаты аналитических расчётов существующей конструкции.Кроме того, чтобы избежать анализа конструкции на ресурс заказчиком в качестве исходных данных был принят уровень максимально допустимых напряжений в растянутой зоне, существенно ниже пределов прочности материала.  

Прочность оценивалась по трём расчётным случаям: избыточное давление, посадка на воду и поддомкрачивание самолёта за узел, установленный на гермошпангоуте.

В качестве первого шага была создана конечно-элементная модель существующего клёпаного шпангоута. Результаты нагружения сравнили с данными аналитических расчётов. Убедившись, что уровни напряжений в модели и аналитических расчётах совпадают, модель была валидирована, после чего приступили к работе над выполнением модели новой конструкции.

Работа по совершенствованию конструкции шла путём итераций: внесения изменений в конструкцию и их прочностной оценкой.

В результате многочисленных локальных усилений стенки шпангоута, рёбер, вертикальных и горизонтальных балок удалось добиться необходимой прочности.

17
Рисунок 21 – Эпюра деформаций шпангоута.
  Масса конструкции мониторилась в течение всего проекта. К сожалению, снизить массу конструкции, как планировалось в начале проекта, или хотя бы оставить её на том же уровне не удалось. Превышение составило 3,7%, что объяснялось, в первую очередь, тем, что на этапе рассмотрения альтернативных вариантов конструкции были выбраны наиболее консервативные решения.  

Сдача работы заказчику осуществлялась инженерами ИЦ ИКАР на территории Заказчика. Процесс сдачи работ был сложен, представителями Заказчика были затребованы как изменения в 3D, так и по оформлению чертежей, которые инженерами ИЦ ИКАР были, в основном, выполнены.  

В полученной от Заказчика официальной оценке ИЦ ИКАР был указан как надежный поставщик, а его инженеры по таким критериям как качество предлагаемых конструкторских и проектных решений, способность выполнять работу в срок, по уровню квалификации персонала в данной технической области и инициативности получили высшие оценки.