Analiza de proiectare a materialului unui tun

Conţinut

• Funcțiile unui tunon
• Constrângeri și obiective
• Variabile gratuite
• Analiza materialelor
• Validarea materialelor
• Concluzie
• Lucrari citate

Claire Miller studiază o diplomă în inginerie aerospațială și se luptă în prezent cu MATLAB pentru disertație. Gustările sunt binevenite.

Trenul de aterizare al unei aeronave are o serie de cerințe. Trebuie să fie capabil să absoarbă energia șocului de la aterizare, să permită conducerea aeronavei și, în cele din urmă, să susțină aeronava atunci când este la sol. Cu cunoștințele tehnologice disponibile, majoritatea aeronavelor au acum trenuri de rulare retractabile pentru a reduce rezistența parazită pe care o are aeronava - o altă specificație tehnică pentru trenul de aterizare.

O parte specială a sistemului trenului de aterizare pe care acest raport îl va investiga este pivotul. Acesta este un suport structural fix care face parte din (sau este atașat) cilindrului de susținere al unui tren de aterizare. Conține suprafețe portante, ceea ce permite rotirea întregului ansamblu de transmisie pentru direcție.

Acest raport va explora obiectivele și funcțiile tunului și va investiga cele mai potrivite materiale care ar putea fi utilizate pentru componentă. În mod specific, raportul va lua în considerare pivotul utilizat în trenul de rulare al portului vehiculului F-35 Joint Strike Fighter, deoarece Departamentul Apărării a recomandat remedieri la trenul de aterizare F-35C în ianuarie 2017 (Mizokami, 2017). De acolo, un studiu de caz al materialelor și metodelor de fabricație care ar putea fi utilizate pot fi puse împreună, și apoi comparați acest lucru cu ceea ce este utilizat în prezent și cu ce sugerează lucrările și revistele academice.

Funcțiile unui tunon

Potrivit lui Dale Crane din volumul 1 al seriei de cărți a tehnicilor de întreținere a aviației, pivotii sunt „proiecții din cilindrul unui tijă retractabilă a trenului de aterizare în jurul căreia tija pivotează să se retragă” (Crane, 2006). Scopul unui pivot este de a sprijini structural trenul de aterizare pentru a suporta greutatea aeronavei atunci când aceasta nu zboară. Aceasta include în timpul decolării, aterizării și rulării, precum și când este statică, astfel încât trenul de aterizare este supus mai multor eforturi și solicitări diferite în direcții diferite în măsuri variabile, în funcție de sarcina de față și de tipul de mediu la care este supus la. În funcție de mediu, este important să se ia în considerare diferite situații, cum ar fi tipul de suprafață de aterizare - fie că este asfalt, zăpadă, iarbă etc; altitudinea de la nivelul mării; și intrările pilotului, cum ar fi virajele brute sau treptate și frânarea, aterizarea dură sau ușoară etc. Există o varietate considerabilă de variabile care pot afecta diferit forțele supuse trenului de aterizare al aeronavei.

Un alt lucru major care influențează eforturile și tensiunile la care este supus trenul de rulare este proiectarea trenului de aterizare. Există mai multe tipuri de trenuri de rulare, cele mai populare fiind acum tricicla - o roată cu nas și două roți principale - datorită caracteristicilor sale bune de manipulare și stabilitate. Șasile retractabile sunt, de asemenea, populare în modele moderne. Avioanele timpurii aveau trenuri de rulare fixe și croiseră la viteză lentă, astfel încât rezistența la paraziți nu a fost o considerație majoră în proiectare. Cu toate acestea, când viteza a devenit de o mare importanță pentru aeronave, trenul de aterizare retractabil a fost introdus pentru a reduce această rezistență la paraziți și pentru a crea o formă mai simplificată atunci când zboară.

F-35 are un tren de rulare retractabil cu triciclu, cu știfturi Oleo pentru a amortiza vibrațiile și a absorbi energia șocului de la impactul aterizării. Cu toate acestea, pivotele din trenul de aterizare sunt încă supuse unor solicitări de forfecare cauzate de impactul aterizării și de greutatea aeronavei atunci când sunt statice și în timpul rulării. Știftul din roata din față ar suporta, de asemenea, cuplul de la direcție și atunci când trenul de rulare este retras și coborât.

Constrângeri și obiective

Materialul unui pivot ar trebui să fie capabil să reziste la o serie de solicitări și forțaje la întindere și forfecare diferite pe tot parcursul vieții sale în serviciu și, prin urmare, să aibă un modul ridicat de elasticitate și modul de rigiditate. De asemenea, ar trebui să fie considerabil greu pentru a reduce cantitatea de uzură și oboseală din ciclul continuu de retragere și coborâre a trenului de rulare, deoarece acesta este principalul punct pivot al trenului de rulare retractabil. Acest lucru va intra și în joc în timpul direcției.

O altă constrângere extrem de importantă este rezistența la coroziune. La sol, tunelul va fi expus elementelor. Coroziunea poate crește și poate pune în pericol funcționalitatea și navigabilitatea aeronavei, ducând la reparații costisitoare și la înlocuirea prematură a componentelor.

Tunetul ar trebui, de asemenea, să poată suporta o anumită energie de șoc de la decolare și aterizare pe care sistemul de amortizare al trenului de rulare ar fi fost incapabil să o absoarbă și, prin urmare, ar trebui să fie relativ dur. Acesta este principalul motiv pentru care trenul de aterizare al F-35C al Marinei Regale are nevoie de reproiectare. În timpul testelor de decolare și aterizare, s-a realizat că aeronava a făcut „o mișcare bruscă deranjantă” la decolare, ceea ce este „nu numai inconfortabil, dar afișajul montat pe cască (HMD) și masca de oxigen împing în sus și în jos împotriva maxilarului pilotului” ( Mizokami, 2017).

Materialul utilizat pentru fabricarea canelurii ar trebui, de asemenea, să fie cât mai ușor posibil, fără a pune în pericol cerințele de rezistență la rupere și la forfecare. Deoarece costul modelului F-35 a fost o problemă uriașă pe tot parcursul producției sale, materialul ar dori să fie cât mai rentabil posibil. În ceea ce privește costurile de prelucrare, deoarece piesa ar fi probabil produsă prin frezare CNC, materialul ar fi, de preferință, ușor de prelucrat, pentru a reduce orele în care fiecare piesă este pe mașină, totuși, din nou, aceasta ar fi secundară tracțiunii și forfecării. cerințele de rezistență ale materialului.

Variabile gratuite

Variabilele libere pentru proiectarea tunului ar fi limitate. Culoarea materialului ar fi o variabilă liberă, deoarece piesa va fi ulterior vopsită.

Analiza materialelor

Folosind loturile de materiale Ashby (a se vedea apendicele 1), a fost alcătuită o selecție de materiale potențial adecvate pentru pivotul trenului de aterizare a nasului F-35C. Cele mai bune alegeri sunt următoarele:

• Aliaje de titan
• Aliaje de oțel
• Polimer armat cu fibră de carbon (CFRP)

Polimerul armat cu fibră de carbon conține fibre de carbon legate cu un polimer, oferind materialului un raport rezistență-greutate considerabil ridicat și o rezistență ridicată la coroziune. Principala problemă cu utilizarea CFRP pentru trenul de rulare este costul materialului și al fabricației. CFRP este încă un material foarte scump de fabricat și, datorită rezistenței sale ridicate, necesită unelte special fabricate pentru a-l prelucra. Uneltele din tungsten cu un strat de diamant sunt cea mai bună alegere pentru prelucrarea CFRP (Kennametal), cu toate acestea scula trebuie să fie înlocuită la fiecare câteva componente, iar timpul de prelucrare pentru prelucrare ar fi considerabil mai lung decât pentru alte metale.

Oțelurile și aliajele de titan sunt foarte frecvent utilizate pentru trenul de rulare al aeronavelor, deoarece sunt foarte puternice, pot rezista la o cantitate mare de solicitări și solicitări și sunt mai ușor de prelucrat decât compozitele. Acestea necesită o acoperire necorozivă pentru a le proteja de elemente, cu toate acestea, ele sunt încă utilizate pe scară largă pentru trenul de aterizare pe aeronavă.

Validarea materialelor

Există o restricție a informațiilor disponibile publicului cu privire la materialele exacte utilizate în prezent pentru trenul de rulare al F-35. Cu toate acestea, este clar că cel puțin o parte din aceasta este fabricată din materiale compozite.

Fokker Technologies - o divizie a GKN Aerospace - a semnat un contract cu Lockheed Martin pentru furnizarea de piese ale trenului de aterizare pentru F-35C (Fokker Technologies, 2015). Compania olandeză, înființată în 2011, este specializată în trenul de aterizare pentru elicoptere și aeronave și a primit contractul pentru proiectarea și dezvoltarea unui compozit cu matrice polimerică de tip drag brace (PMC) pentru trenul de aterizare F-35 în 2015 (Fokker Technologies, 2015 ). Deoarece producția de piese compozite pentru aeronave este încă o tehnologie relativ nouă și foarte considerată, este de înțeles că informațiile specifice sunt atât de rare.

În avioanele de vânătoare și bombardiere anterioare, cum ar fi Tornado și Harrier, au fost folosite diferite calități de aliaje de oțel și titan pentru trenul de rulare datorită rezistenței și prelucrării lor. Proprietățile materialului ar putea fi apoi îmbunătățite în continuare pentru a se potrivi scopului piesei cu ajutorul tratamentului termic și al acoperirilor. Cu toate acestea, aceste piese sunt scumpe de produs în termeni de costuri de material, forță de muncă, mașini și deșeuri. O serie de progrese tehnologice au fost făcute de la producția inițială a acestor aeronave în urmă cu peste 40 de ani, iar industria aerospațială se îndreaptă acum spre utilizarea compozitelor.

Fokker a furnizat o declarație cu privire la beneficiile pe care le oferă tehnologia PMC în comparație cu aliajele metalice tradiționale:

• "Creșterea performanței aeronavelor datorită reducerii greutății de până la 30%
• Durabilitate și robustețe sporite ale trenului de aterizare
• Eliminarea coroziunii și crăparii metalelor "(The Shot Peener, 2011)

Deși sunt mult mai ușoare decât aliajele metalice, compozitele sunt extrem de scumpe, în principal datorită necesității unei matrițe pentru a crea un produs suficient. Realizarea unei matrițe nu este întotdeauna ușoară și deseori necesită ajutorul unui specialist pentru a produce, ceea ce crește considerabil timpul și costurile de producție.

Cu toate acestea, se pare că compozitele sunt acum utilizate pe scară largă în trenul de aterizare al aeronavelor. Sistemele aerospațiale UTC - formal Goodrich - sunt, de asemenea, implicate în furnizarea de piese pentru trenul de aterizare pentru F-35, realizate și din materiale compozite (UTC Aerospace Systems, © 2017).

Concluzie

Investigarea adecvării diferitelor materiale pentru un suport structural, cum ar fi o canelură, a oferit o gamă mică de aliaje metalice tradiționale și compozite mai inovatoare. Deoarece pivotii sunt supuși la o serie de solicitări și deformări liniare și unghiulare diferite, au fost luate în considerare materialele cu un modul ridicat de elasticitate și rigiditate, menținând în același timp o densitate cât mai mică. Acest lucru a dus la alegerea între un număr de aliaje metalice, cum ar fi titanul și aluminiul, și compozite mai complicate, cum ar fi polimerul întărit cu fibră de carbon (CFRP) și compozite cu matrice polimerică (PMC). Fiecare are avantajele și dezavantajele sale: piesele din aliaj metalic sunt mai ușor și mai ieftine de fabricat, totuși compozitele au un raport mai mare rezistență / greutate.

Deși a existat o limitare a cantității de informații disponibile datorită faptului că F-35 este un avion utilizat în prezent în armată, Fokker Technologies a confirmat că oferă piese PMC pentru trenul de rulare. PMC are un raport rezistență-greutate considerabil mai ridicat, ideal pentru un avion STOVL multirol. Cercetările viitoare ar putea explora proiectele anterioare ale aeronavelor și materialele utilizate pentru trenurile retractabile de-a lungul anilor pentru validarea fiecăruia dintre materialele sugerate și ar putea investiga diferite compozite mai detaliat.

Lucrari citate

Crane, D. (2006). Capitolul 6 Sisteme de tren de aterizare pentru aeronave. În D. Crane, Airframe Volumul 1: Structuri (p. 427). Newcastle: Echipamente și universități pentru aviație.

Fokker Technologies. (2015, 19 noiembrie). Fokker Technologies sărbătorește continuarea programului F-35 Landing Gear Composite Drag Brace. Adus de la Fokker: http://www.fokker.com/Fokker-celebrates-continuation-of-the-F-35-Landing-Gear-Composite-Drag-Brace-Program

Fokker Technologies. (2015). Programe. Adus în 2017, de la Fokker Technologies: http://www.fokker.com/Landing_Gear_Programs

Kennametal. (n.d.). Prelucrarea polimerului armat cu fibră de carbon (CFRP). Adus în aprilie 2017 de la Kennametal: https://www.kennametal.com/en/industry-solutions/aerospace/machining-cfrp-composites.html

Mizokami, K. (2017, 6 ianuarie). F-35 al marinei poate avea nevoie de un nou tren de aterizare. Adus din Popular Mechanics: http://www.popularmechanics.com/military/aviation/a24633/navy-f35-landing-gear/

The Shot Peener. (2011, toamna). Noul tren de aterizare. The Shot Peener , p. 6.

Sisteme aerospațiale UTC. (© 2017). Programe - Militare. Adus de la sistemele aerospațiale UTC: http://utcaerospacesystems.com/cap/programs/Pages/military-aircraft.aspx

Acest articol este corect și fidel, după cunoștințele autorului. Conținutul are doar scop informativ sau de divertisment și nu înlocuiește consilierea personală sau sfatul profesional în probleme de afaceri, financiare, juridice sau tehnice.