ZASTOSOWANIE CIENKOŚCIENNYCH KONSTRUKCJI INTEGRALNYCH W LOTNICTWIE NA PRZYKŁADZIE PROJEKTU SAT-AM

Konstrukcje samolotów są poddawane w trakcie lotu działaniu różnych składowych stanu obciążenia. Każde zadanie w czasie lotu składa się z szeregu manewrów, które generują różne obciążenia samolotu, zarówno pod względem wartości, jak i kierunku ich działania. Wysoki poziom trwałości i niezawodności jest podstawowym, ścisłym wymogiem dla współczesnych konstrukcji lotniczych. Oznacza to, że podczas projektowania statku powietrznego należy wziąć pod uwagę wiele nierzadko sprzecznych ze sobą ograniczeń. Najważniejszym z nich jest masa konstrukcji, która ma decydujący wpływ zarówno na właściwości lotne i techniczne, jak i na ekonomikę eksploatacji. To sprawia, że samolot jest jednym z najbardziej złożonych produktów technicznych. Nowoczesne konstrukcje samolotów, a ściślej ich elementy nośne, są prawie wyłącznie wykonane jako cienkościenne, które spełniają postulat zminimalizowania masy konstrukcji. Szeroko rozpowszechnione są systemy, w których pokrycie jest wzmocnione elementami wzdłużnymi i poprzecznymi, zapewniając wymaganą sztywność i wytrzymałość całości systemu. Podczas gdy miejscowa utrata stateczności pokrycia jest dopuszczalna w warunkach obciążenia roboczego, przekroczenie poziomów obciążenia krytycznego elementów szkieletu konstrukcyjnego (ramy, podłużnice, wręgi) jest praktycznie równoznaczne ze zniszczeniem konstrukcji. Wskazane czynniki wymuszają ciągłe doskonalenie zarówno metod projektowania, jak i rozwiązań konstrukcyjnych w lotnictwie. Rozwój inżynierii materiałowej i ciągłe doskonalenie procesów technologicznych nie pozostają bez znaczenia dla skuteczności tych pomysłów.
Dyscypliny te pozwalają konstruować geometrycznie złożone integralne struktury, które stwarzają możliwość nie tylko bardziej racjonalnego wykorzystania właściwości materiału, ale także, poprzez ich odpowiednie ukształtowanie, znacznie zwiększają dopuszczalne obciążenia konstrukcji nośnej. Główną zaletą przy projektowaniu części integralnych jest oszczędność ekonomiczna, uzyskana w wyniku wyeliminowania lub ograniczenia operacji montażowych. Gęsto żebrowane elementy pokrycia wykonane w tej technologii należą do elementów konstrukcji nośnej, które zmniejszają masę i podnoszą parametry wytrzymałościowe konstrukcji nośnej. Zmniejszając grubość pokrycia i jednocześnie wprowadzając gęsto usztywniające elementy podłużne, można uzyskać konstrukcję o znacznie wyższych obciążeniach krytycznych, a w konsekwencji bardziej korzystny rozkład gradientów i poziomów naprężeń, co bezpośrednio przyczynia się do zwiększenia trwałości zmęczeniowej. W artykule podjęto próbę oceny wprowadzenia nowych technologii wykonania konstrukcji płatowców dla podniesienia ich walorów wytrzymałościowych, aerodynamicznych oraz masowych.

Pełny tekst (pdf)

1. Brzoska Z., Statyka i stateczność konstrukcji prętowych i cienkościennych, PWN, Warszawa 1965.
2. Fellipa C.A., Introduction to finie element methods, Dep. of Aerospace Eng. Sci. Bouilder, Colorado 2006.
3. Fellipa C.A., Nonlinear finite element methods, Dep. of Aerospace Eng. Sci. Bouilder, Colorado 2001.
4. Kopecki T., Stany zaawansowanych deformacji w projektowaniu cienkościennych ustrojów nośnych, Oficyna Wydawnicza PRz, Rzeszów 2010.
5. Kopkowicz M., Wytrzymałość materiałów. Laboratorium, Oficyna Wydawnicza PRz, Rzeszów 2006.
6. Lundblad M., Influence of Cutting Tool Geometry on Residual Stress in the Workpiece, Proc. Third Wave Advant Edge User’s Conferece, Atlanta, GA, Paper 7(2002).
7. Shet C., Deng X., Residual Stresses and Strains in Orthogonal Metal Cutting, Int. J. Machine Tools Manuf., 43/6(2003), 573-587.
8. Kuczmaszewski J., Pieśko P., Zawada-Michałowska M., Influence of Milling Strategies of Thin-walled Elements on Effectiveness of their Manufacturing, Procedia Engineering (2017), 182:381-186.
9. Adamski W., Manufacturing development strategies in aviation industry, Advances in Manufacturing Science and Technology, Vol. 34, nr 3(2010), 73-84.
10. Bałon P., Szostak J., Kiełbasa B., Rejman E., Smusz R., „Application of High Speed Machining Technology in Aviation”, 21st International ESAFORM Conference on Material Forming (2018).
11. Bałon P., Rejman E., Smusz R., Szostak J., Kiełbasa B., „High Speed Milling in thin-walled aircraft structures”, Applied Computer Science, Vol. 14, nr 2(2018), pp. 82-95.
12. Shih A.J., Yang H.T.Y., Experimental and Finite Element Predictions of Residual Stresses Due to Orthogonal Metal Cutting, Int. J. Num. Meth. Eng., 36(1993), 1487-1507.
13. Mativenga P.T., Hon K.K.B., An experimental study of cutting force in high speed end milling and implications for dynamic force modelling, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 127, 2(2005), 251-261.
14. Adamski W., Wpływ nowych technik wytwarzania na konstrukcję samolotu, Mechanika, nr 12(2015).
15. Włodarczyk M., Analiza wpływu sił skrawania oraz zamocowania na poziom naprężeń w aspekcie grubości ścianek wybranej konstrukcji kieszeniowej, Postępy Nauki i Techniki, nr 8(2011) Politechnika Lubelska.