Анализ материального дизайна цапфы

Содержание

• Функции цапфы
• Ограничения и цели
• Бесплатные переменные
• Анализ материалов
• Проверка материалов
• Заключение
• Процитированные работы

Клэр Миллер изучает аэрокосмическую инженерию и в настоящее время борется с MATLAB за свою диссертацию. Приветствуются закуски.

К шасси самолета предъявляется ряд требований. Он должен поглощать энергию удара при посадке, позволять летательному аппарату управлять и, в конечном итоге, поддерживать его, когда он находится на земле. Благодаря имеющимся технологическим знаниям большинство самолетов теперь имеют убирающееся шасси для уменьшения паразитного сопротивления, которое испытывает самолет - еще одна техническая спецификация для шасси.

Отдельной частью системы шасси, которую исследует этот отчет, является цапфа. Это неподвижная структурная опора, которая является частью (или прикреплена) к цилиндру верхней стойки стойки шасси. Он содержит опорные поверхности, которые позволяют вращать всю шестерню в сборе для рулевого управления.

В этом отчете исследуются цели и функции цапфы и исследуются наиболее подходящие материалы, которые могут быть использованы для компонента. В частности, в отчете будет рассматриваться цапфа, используемая в шасси левого главного колеса истребителя F-35 Joint Strike Fighter, поскольку Министерство обороны рекомендовало исправить шасси F-35C в январе 2017 года (Mizokami, 2017). Отсюда можно собрать воедино тематическое исследование материалов и методов производства, которые могут быть использованы, а затем сравнить его с тем, что используется в настоящее время, и с тем, что предлагают академические статьи и журналы.

Функции цапфы

Согласно Дейлу Крейну в томе 1 серии книг «Техник по обслуживанию авиации», цапфы - это «выступы из цилиндра убирающейся стойки шасси, вокруг которых стойка поворачивается для втягивания» (Crane, 2006). Назначение цапфы состоит в том, чтобы конструктивно поддерживать шасси, выдерживая вес самолета, когда он не летит. Это включает в себя во время взлета, посадки и руления, а также в статике, поэтому шасси подвергается нескольким различным напряжениям и деформациям в разных направлениях в различной степени, в зависимости от решаемой задачи и типа окружающей среды. к. Что касается окружающей среды, важно учитывать различные ситуации, такие как тип посадочной поверхности - будь то асфальт, снег, трава и т. Д .; высота над уровнем моря; а также действия пилота, такие как резкие или плавные повороты и торможение, грубая или плавная посадка и т. д. Существует широкий спектр переменных, которые могут по-разному влиять на силы, действующие на шасси самолета.

Другой важный фактор, влияющий на напряжения и деформации, которым подвергается ходовая часть, - это конструкция ходовой части. Существует несколько типов ходовой части, наиболее популярной из которых в настоящее время является трехколесный велосипед - одно переднее колесо и два основных колеса - из-за его хороших характеристик управляемости на земле и устойчивости. Выдвижная ходовая часть также популярна в современном дизайне. Ранние самолеты имели фиксированное шасси и летели на малой скорости, поэтому сопротивление паразитам не было основным соображением при проектировании. Однако, когда скорость стала иметь большое значение для самолетов, было введено убирающееся шасси, чтобы уменьшить сопротивление паразитов и создать более обтекаемую форму во время полета.

F-35 имеет выдвижной трехколесный велосипед шасси, с Oleo ударных распорок, чтобы ослабить вибрации и поглощать энергию удара от воздействия посадки. Однако цапфы шасси по-прежнему подвергаются некоторым напряжениям сдвига от удара при посадке и веса самолета в статике и во время руления. Цапфа в переднем переднем колесе также будет выдерживать крутящий момент от рулевого управления, а также при втягивании и опускании ходовой части.

Ограничения и цели

Материал цапфы должен быть способен выдерживать ряд различных напряжений и деформаций растяжения и сдвига на протяжении всего срока службы и, следовательно, иметь высокий модуль упругости и модуль жесткости. Это также должно быть значительно труднее, чтобы уменьшить степень износа и усталости от непрерывного цикла втягивания и опускания ходовой части, поскольку это основная точка поворота убирающейся ходовой части. Это также будет иметь значение во время рулевого управления.

Еще одно очень важное ограничение - устойчивость к коррозии. На земле цапфа будет подвергаться воздействию элементов. Коррозия может усилиться и поставить под угрозу функциональность и летную годность самолета, что приведет к дорогостоящему ремонту и преждевременной замене компонентов.

Цапфа также должна быть способна выдерживать некоторую энергию удара от взлета и посадки, которую система демпфирования ходовой части, возможно, не смогла бы поглотить, и поэтому должна быть относительно жесткой. Это основная причина того, что шасси F-35C ВМФ Великобритании нуждаются в переработке. Во время взлетно-посадочных испытаний было выяснено, что самолет совершает «резкое резкое движение» при взлете, что «не только неудобно, но и дисплей, установленный на шлеме (HMD), и кислородная маска толкаются вверх и вниз против челюсти пилота» ( Мизоками, 2017).

Материал, используемый для изготовления цапфы, также должен быть как можно более легким без нарушения требований к прочности на растяжение и сдвиг. Поскольку стоимость F-35 была огромной проблемой на протяжении всего периода его производства, материал должен быть как можно более рентабельным. С точки зрения затрат на обработку, поскольку деталь, вероятно, будет изготавливаться с помощью фрезерования с ЧПУ, материал предпочтительно будет легко обрабатывать, чтобы сократить часы, в течение которых каждая деталь находится на станке, однако, опять же, это будет второстепенным после растяжения и сдвига. требования к прочности материала.

Бесплатные переменные

Бесплатные переменные для конструкции цапфы будут ограничены. Цвет материала будет произвольной переменной, так как деталь позже будет окрашена.

Анализ материалов

Используя графики материалов Эшби (см. Приложение 1), был составлен ряд потенциально подходящих материалов для цапфы передней стойки шасси F-35C. Лучшими вариантами являются следующие:

• Титановые сплавы
• Стальные сплавы
• Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP)

Полимер, армированный углеродным волокном, содержит углеродные волокна, связанные с полимером, что придает материалу значительно высокое соотношение прочности и веса и высокую устойчивость к коррозии. Основная проблема с использованием углепластика для ходовой части - это стоимость материала и стоимости изготовления. Углепластик по-прежнему является очень дорогим материалом, и из-за его высокой прочности для его обработки требуются специальные инструменты. Инструменты из вольфрама с алмазным покрытием являются лучшим выбором для обработки углепластика (Kennametal), однако инструмент необходимо заменять каждые несколько компонентов, а время обработки будет значительно дольше, чем для других металлов.

Сталь и титановые сплавы очень часто используются для ходовой части самолетов, поскольку они очень прочные, могут выдерживать большое количество напряжений и деформаций и их легче обрабатывать, чем композиты. Им требуется антикоррозийное покрытие для защиты от элементов, однако они по-прежнему широко используются для шасси самолетов.

Проверка материалов

Доступна ограниченная информация относительно конкретных материалов, используемых в настоящее время для шасси F-35. Однако ясно, что по крайней мере часть из них сделана из композитных материалов.

Fokker Technologies - подразделение GKN Aerospace - подписало контракт с Lockheed Martin на поставку частей шасси для F-35C (Fokker Technologies, 2015). Голландская компания, основанная в 2011 году, специализируется на шасси для вертолетов и самолетов, и в 2015 году получила контракт на проектирование и разработку композитного материала с полимерной матрицей (PMC) для опоры шасси (Fokker Technologies, 2015). ). Поскольку производство деталей самолетов из композитных материалов по-прежнему является относительно новой и высоко оцененной технологией, понятно, что конкретной информации так мало.

В предыдущих самолетах-истребителях и бомбардировщиках, таких как Tornado и Harrier, для ходовой части использовались различные марки стали и титановые сплавы из-за их прочности и обрабатываемости. Затем свойства материала могут быть дополнительно улучшены в соответствии с назначением детали с помощью термической обработки и покрытий. Однако эти детали дороги в производстве с точки зрения затрат на материалы, рабочую силу, оборудование и отходы. С момента первоначального производства этих самолетов 40+ лет назад был достигнут ряд технологических достижений, и сейчас авиакосмическая промышленность все больше склоняется к использованию композитов.

Компания Fokker сделала заявление о преимуществах, которые их технология PMC предлагает по сравнению с традиционными металлическими сплавами:

• «Повышение летно-технических характеристик самолета за счет снижения веса до 30%.
• Повышенная прочность и надежность шасси.
• Устранение коррозии и растрескивания металла »(The Shot Peener, 2011)

Хотя они значительно легче металлических сплавов, композиты чрезвычайно дороги, в основном из-за необходимости в форме для создания достаточного продукта. Изготовить пресс-форму не всегда легко и часто требует помощи специалиста, что значительно увеличивает время и стоимость производства.

Однако, похоже, сейчас композиты широко используются в шасси самолетов. UTC Aerospace Systems - формально Goodrich - также участвует в поставках деталей шасси для F-35, также изготовленных из композитных материалов (UTC Aerospace Systems, © 2017).

Заключение

Исследование пригодности различных материалов для конструкционной опоры, такой как цапфа, позволило предложить небольшой диапазон как традиционных металлических сплавов, так и более инновационных композитов. Поскольку цапфы подвергаются ряду различных линейных и угловых напряжений и деформаций, были рассмотрены материалы с высоким модулем упругости и жесткости при сохранении как можно более низкой плотности. Это привело к выбору между рядом металлических сплавов, таких как титан и алюминий, и более сложными композитами, такими как полимер, армированный углеродным волокном (CFRP) и композиты с полимерной матрицей (PMC). У каждого есть свои преимущества и недостатки: детали из металлических сплавов легче и дешевле производить, однако композиты имеют большее отношение прочности к весу.

Хотя количество доступной информации было ограничено из-за того, что F-35 в настоящее время используется в вооруженных силах, Fokker Technologies подтвердила, что они поставляют детали PMC для ходовой части. PMC имеет значительно более высокое отношение прочности к массе, что идеально для многоцелевого самолета STOVL. В ходе будущих исследований можно будет изучить предыдущие конструкции самолетов и материалы, используемые для убирающейся ходовой части на протяжении многих лет, для проверки каждого из предлагаемых материалов и более детального исследования различных композитов.

Процитированные работы

Крейн, Д. (2006). Глава 6 Системы шасси самолета. В Д. Крейне, Планер. Том 1: Конструкции (стр. 427). Ньюкасл: Авиационные материалы и академические науки.

Fokker Technologies. (2015, 19 ноября). Fokker Technologies отмечает продолжение программы композитных тормозных скоб для шасси F-35. Получено с Fokker: http://www.fokker.com/Fokker-celebrates-continuation-of-the-F-35-Landing-Gear-Composite-Drag-Brace-Program

Fokker Technologies. (2015). Программ. Получено в 2017 г. из Fokker Technologies: http://www.fokker.com/Landing_Gear_Programs.

Kennametal. (нет данных). Обработка полимеров, армированных углеродным волокном (CFRP). Получено в апреле 2017 г. из Kennametal: https://www.kennametal.com/en/industry-solutions/aerospace/machining-cfrp-composites.html

Мизоками, К. (6 января 2017 г.). F-35 ВМФ может нуждаться в новом шасси. Получено из Popular Mechanics: http://www.popularmechanics.com/m military/aviation/a24633/navy-f35-landing-gear/.

Стрельба из дробовика. (2011, осень). Новое шасси. Дробовик , п. 6.

UTC Aerospace Systems. (© 2017). Программы - Военные. Получено из UTC Aerospace Systems: http://utcaerospacesystems.com/cap/programs/Pages/m military-aircraft.aspx

Эта статья точна и правдива, насколько известно автору. Контент предназначен только для информационных или развлекательных целей и не заменяет личного или профессионального совета по деловым, финансовым, юридическим или техническим вопросам.