Аспирант кафедры «Техническая механика» Южно-Уральского госуниверситета Кирилл Гусейнов разработал первую в России уточненную методику расчета прочности композитного замкового соединения типа «Ласточкин хвост», которое используется для соединения широкохордных рабочих лопаток вентилятора с дисками. Уникальный алгоритм включает в себя учет еще двух значимых в авиации параметров – нелинейности поведения композита при сдвиге и сложный вид напряженного состояния.
Авиаинженеры перманентно находятся в поиске новых способов облегчения конструкции самолета – экономия массы воздушного судна позволяет снизить расход топлива и затраты на его ремонт, а также увеличить количество посадочных мест на борту.
Замена традиционных титановых лопастей в турбовентиляторных двигателях ПД-35 на облегченные и прочные композитные – одна из задач Правительства перед российским авиастроением.
Изучая перспективное применение полимерных композитных материалов в авиации, исследователи ЮУрГУ в программе ANSYS провели численную оценку разрушения композитного соединения «Ласточкин хвост» при действии растягивающей нагрузки. Такое поэтичное название хвостовик рабочих лопаток турбины получил благодаря своей форме замка, которая напоминает хвост ласточки.
«Те расчетные оценки, которые сейчас выполняют для полимерных композитов, прогнозируют ошибку в запас прочности, что не очень прагматично, – рассказал Кирилл Гусейнов. – То есть, чаще всего используется линейно-упругий подход без учета других важных параметров. Это позволяет, с одной стороны, делать прочную и надежную конструкцию, но, в то же время, мы теряем в ее весе – в действительности такой хвостовик мог бы выдержать гораздо большую нагрузку, а значит, и вращающаяся лопатка могла бы быть больше. В нашу же расчетную оценку мы добавили такие параметры, как вид напряженного состояния и нелинейное поведение композита при межслоевом сдвиге; это значительно повышает точность оценки прочности замкового соединения из композитных материалов, чтобы не допустить его расслоения при инерционной (растягивающей) нагрузке. Учет нелинейной работы композита позволяет обосновать увеличение допускаемой на него нагрузки. Важно, чтобы прочность лопатки в зоне крепления была достаточной для безопасного полета, и сама деталь при этом получилась не чрезмерно тяжелой».
Облегчение конструкции двигателя на десятки процентов за счет применения композитных элементов позволит увеличить его грузоподъемность до 35 тонн. Кроме того, закономерно уменьшаются затраты топлива и размеры двигателей. Каждый 1% экономии массы самолета дает дополнительные 5% прибыли.
Предложенный челябинскими учеными новый алгоритм расчета максимального порога прочности композитного соединения «Ласточкин хвост» в программном продукте ANSYS легко смогут использовать авиаконструкторы при проектировании деталей для авиационных двигателей.
Композиты такой формы применимы в перспективных двигателях сверхбольшой тяги ПД-35, которые предназначены для перспективных широкофюзеляжных дальнемагистральных самолетов. Сегодня в России ведется активное изготовление и тестирование вентиляторных лопаток, чтобы к 2030 году обеспечить их успешное внедрение в гражданскую авиатехнику.