Автоматизированное проектирование деталей крыла

3. Описание конструкции крыла

Крыло трапециевидной формы в плане выполнено по двухлонжеронной схеме с силовой обшивкой и поперечным набором из 11 нервюр. В конструкцию крыла входит ниша основной стойки шасси, фара, элерон с сервокомпенсатором и закрылок.

Первый лонжерон крыла в сечении представляет собой двутавр, проходящий через левую и правую консоли сквозь фюзеляж. Полки лонжерона – многослойные углеорганопластиковые панели, склеиваемые под прямым углом с сэндвичевой плоской стенкой, изготавливаемой из двух многослойных лицевых панелей швеллерного сечения, между которыми – сотовый заполнитель – полимерсотопласт (ПСП) толщиной 8мм. Второй лонжерон имеет швеллерное сечение, полученное соответствующей выклейкой слоев углеорганопластика. Он также проходит от концевой нервюры №9 правой консоли и, сквозь фюзеляж, до концевой нервюры левой консоли и одновременно служит задней стенкой крыла в районе элеронов (от нервюры №6 до нервюры №9).

Нервюры крыла механообрабатываемые и листовые детали, состоящие из лобика (все нервюры крыла), средней части (все нервюры) и задней части (нервюры №1, 2, 2а, 3, 3а, 4 и 5).

Лобовые кромки крыла (их две –  от нервюры №1 до фары, расположенной между нервюрами №4 и 5, и от фары до нервюры №9), стенка, расположенная перед элероном и законцовка также многослойные конструкции из чередующихся слоев стеклоткани и углеродной ленты.

Верхняя и нижняя обшивки представлены сэндвичевыми панелями, состоящими из внутренних и наружных обшивок, окантовок и сотового заполнителя (ПСП толщиной 8мм). В верхней панели имеется два окна под заправочные горловины (топливные баки расположены в крыле между нервюрами №2 и 4, и между лобиком и первым лонжероном). В нижней панели имеется окно под нишу стойки шасси.

Зализы также представляют собой  сэндвичевую конструкцию с сотовым заполнителем.

Для предохранения от разлахмачивания торцы многослойных деталей обрабатываются шпатлевкой ЭП-0020. Крепление сопрягающихся деталей между собой осуществляется их склеиванием и усилением клеевых швов заклепочными швами и, в отдельных местах, соединениями типа «болт – гайка» или «болт – анкерная гайка». Каркас собирается на клее ВК-27 и заклепочными швами, гермозона (зона топливных баков) обрабатывается кистевым герметиком … Обшивки и лобовики крыла ставятся на каркас на клее ВК-27. В гермозоне конструкция изнутри также покрывается кистевым герметиком.

В консолях крыла расположено  по два топливных бака. Стенками первого топливного бака служат нервюры №2 и №3, лобик и первый лонжерон. Стенками второго бака – нервюры №3 и №4, также лобик и лонжерон №1. Все заклепочные швы и болтовые соединения покрываются одним – двумя слоями кистевого герметика.

Крепление крыла к  фюзеляжу осуществлено при помощи двух силовых кронштейнов, расположенных  на лонжеронах, и при помощи силовой  стенки, расположенной между первой и второй нервюрами; также крепление осуществляется через зализы.

4. Плазово-шаблонный метод производства

Конструктивными особенностями  деталей летательных аппаратов  является их большие габариты, малая жесткость, сложность геометрических обводов. Начиная с этапа предварительного проектирования, проблема оптимизации основных параметров изделия, особенно в самолетостроении, неразрывно связана с решением задач проектирования поверхностей сложных форм. При этом к поверхностям предъявляются различные требования. Основными требованиями к внешним поверхностям летательного аппарата являются: -

• обеспечение требуемого порядка гладкости поверхности и заданных локальных дифференциально-геометрических характеристик (аэродинамические и технологические требования);
• обеспечение необходимых объемов, ограниченных поверхностью изделия, и размеров (площадей) поперечных сечений (компоновочные и конструктивные требования).

Проектирование этих поверхностей представляет немалые  трудности, т.к. приходиться решать целый ряд оптимизационных задач по увязке зачастую взаимопротиворечащих требований аэродинамики, размещения оборудования, конструкции и технологии.

Вследствие перечисленных  выше особенностей в самолетостроении применяют специальные методы и средства проектирования поверхностей и обеспечения взаимозаменяемости агрегатов, отсеков, панелей, узлов и деталей. При этом к технологическим особенностям относят точное воспроизведение геометрических форм и размеров деталей, и обеспечение взаимозаменяемости (взаимозаменяемость – свойство деталей, панелей, узлов и т.п. одного и того же типоразмера заменять друг друга с сохранением функциональных качеств) при сборке и ремонтных работах.

В первые три десятилетия развития авиации проектирование поверхностей осуществлялось целиком графическими способами с применением так называемой плазовой увязки обводов. В этом случае теоретические чертежи заменялись каркасом сечений во взаимно перпендикулярных плоскостях, вычерченным в натуральную величину на металлических панелях – плазах, и затем методом последовательных приближений обводы сечений уточнялись таким образом, чтобы координаты точек в узлах пересечений ортогональных семейств каркаса совпадали с заданной точностью. При этом рабочие чертежи деталей заменялись плоскими рабочими и контрольными шаблонами и технологическая оснастка и детали изготовлялись по шаблонам и контролировались ими. Такой метод получил название плазово-шаблонного. Описанный выше способ проектирования и увязки поверхностей применялся для увязки теоретических обводов изделия, при этом создавались теоретические плазы. Конструктивные плазы составлялись, базируясь на теоретические, и содержали уже не только информацию наружных поверхностей изделия, но и информацию о формах и размерах всех деталей агрегата, также конструктивные плазы служили источниками для изготовления рабочих и контрольных шаблонов.

Возросшие требования к  точности воспроизведения обводов  и производительности труда привели к возникновению графоаналитических методов и аналитических методов описания обводов летательных аппаратов. Наибольшее распространение получил метод кривых второго порядка. Простота геометрических построений и аналитического описания кривых обеспечила этому методу широкое внедрение. Применение графоаналитического метода задания внешних обводов оказало влияние на характер технологических процессов изготовления плазово-шаблонной оснастки. Во-первых, этот метод позволил отказаться от теоретических плазов путем изготовления шаблонов непосредственно по данным теоретического чертежа. Во-вторых, благодаря этому методу открываются широкие возможности для автоматизации и механизации технологических процессов изготовления, как оснастки, так и самих деталей по данным теоретического чертежа, т.к. автоматические станки позволяют обрабатывать контуры по координатам точек или уравнениям сечений. Однако при всех своих преимуществах метод кривых второго порядка обладал и существенными недостатками, что заставило ученых и инженеров искать другие способы и методы описания обводов и поверхностей летательных аппаратов.

Дальнейшим совершенствованием плазово-шаблонного метода явилось применение макетно-эталонной оснастки. При макетно-эталонном методе по шаблонам, снятым с плаза, создается макет или эталон поверхности агрегата. С помощью эталона поверхности получают обводы рабочей и контрольной оснастки, а также монтируют сборочные приспособления. По эталону изготавливают слепки, по которым воспроизводят пуансоны и матрицы для формовки деталей каркаса и обшивок, а также изготавливают контрольные приспособления для этих деталей и эталоны отдельных деталей. По эталону поверхности  агрегата изготавливают контрэталон, по которому создают эталоны отдельных узлов, входящих в агрегат, и по ним - приспособления для сборки узлов. По контрэталону создают разъемный монтажный эталон агрегата и по нему, в свою очередь, изготавливают монтажные эталоны панелей, а затем и приспособления для сборки панелей. Формирование контура агрегата осуществляется рубильниками, установленными по эталону поверхности. Монтажно-эталонный метод получил широкое распространение при производстве самолетов легкого типа, т.к. небольшие габариты агрегатов самолета позволяют изготовлять удобные в производстве эталоны и контрэталоны поверхностей, а также монтажные эталоны.

Развитие вычислительной техники, математического и программного обеспечения, создание средств автоматизации ввода и вывода графической информации позволили, к сегодняшнему дню, полностью отказаться от конструктивных и технологических плазов, а также от шаблонов основной груп пы (шаблоны контрольно-контурные (ШКК) и отпечатки контрольные (ОК)). Первоисточником для производства рабочих шаблонов теперь служит математическая модель детали, созданная в памяти компьютера. Изготовление шаблонов, технологической оснастки, эталонов поверхностей, а также деталей осуществляется на станках с ЧПУ, контроль шаблонов – по размерам снятым с ЭВМ, а контроль оснастки и, в случае сложных контуров, механообрабатываемых деталей – по шаблонам, например, формовочная оснастка контролируется по шаблонам КШКС (контрольный шаблон контура сечения). В ближайшем будущем развитие технологических процессов производства оснастки и шаблонов, и внедрения контрольно-измерительных машин позволит также отказаться от ряда производственных шаблонов, подобный опыт уже имеется у Комсомольск-на-Амуре Авиационного Производственного Объединения (КНААПО), где было организовано полностью бесшаблонное производство фонаря кабины пилотов самолета Су-27. К тому же, подобная технология подготовки производства уже сегодня позволяет в некоторых случаях уходить от объемного плаза за счет математического моделирования трубопроводов, этот опыт имеет Новосибирское Авиационное Производственное Объединение (НАПО) при запуске в серийное производство контейнеров с оборудованием. Все это ведет к снижению сроков и затрат на подготовку производства. 

5. Автоматизированное проектирование деталей крыла

В настоящем разделе  проекта рассматривается автоматизированное проектирование деталей и узлов с целью увязки конструкции и подготовки информации для изготовления шаблонов, технологической оснастки и самих деталей. Данная, уже развитая, технология увязки основана на самом широком применении вычислительной техники с использованием рассмотренных программных продуктов «Cimatron it», «Unigraphics» и «Астра». Причем моделирование деталей, создание сборочных проектов проводиться в системе «Unigraphics». «Cimatron it» служит для проектирования шаблонов уже созданных моделей и расчета траекторий движения инструмента обработки и разметки шаблонов. Моделирование шаблонов именно в системе «Cimatron it» связано с тем, что он имеет ряд дополнительных функций¹, позволяющих рассчитывать любые малки, разворачивать практически любые по кривизне поверхности и т.п. А система «Астра» необходима для преобразования программ траекторий, созданных в «Cimatron it», в программы «понятные» станкам с ЧПУ. Это обусловлено тем, что «Астра» имеет прямой интерфейс с такими станками.

Конструктивная увязка заключается в графическом построении деталей, входящих в какой-либо узел (как это было на плазах и ШКК или в двумерных графических компьютерных системах). Этот способ увязки осуществлялся в плоских сечениях, в которых по чертежам восстанавливались проекции контуров деталей. Хотя этот способ был хорошо отработан, но он был достаточно производителен лишь при увязке плоских конструктивных элементов (шпангоуты, нервюры, различные диафрагмы) и к тому же обладал рядом существенных недостатков:

• такой способ не предоставлял возможности обзора общего объема узла, т.е. чтобы проверить конструкцию целиком («со всех сторон») необходимо было строить несколько сечений узла, в каждом из которых прорисовывать все детали; это отнимало огромное количество времени, а в случае проведения каких-либо конструктивных изменений заново приходилось прорабатывать каждое сечение;
• способ практически не был пригоден для проведения увязки узлов, имеющих сложные внешние обводы и небольшое количество либо отсутствие плоских осей.

Эти качества сыграли  ключевую роль в переходе на трехмерные графические системы, предоставляющие эффективные способы увязки криволинейных пространственных конструкций. Кроме того, такие системы, как правило, снабжены пакетами, позволяющими составлять управляющие программы изготовления смоделированных поверхностей на оборудовании с ЧПУ.

В настоящей работе рассматриваемый агрегат (крыло) был полностью смоделирован в системе «Unigraphics».

1. Анализ конструкции крыла и используемых материалов, необходимый для производства шаблонов и оснастки

Необходимость проведения предварительного анализа конструкции крыла и используемых материалов обусловлена тем, что на производстве увязка конструкции крыла (или какого-либо другого агрегата) начинается до того, как выпускаются рабочие технологические процессы на изготовление той или иной детали или узла. Это связано с выпуском серийных чертежей, по которым будут работать все отделы и службы предприятия. А серийные чертежи это те же опытные чертежи, но с внесенными изменениями, которые возникают в результате проведения конструктивной увязки. Без чертежей цехи-изготовители не могут знать, что им делать и, тем более, какие шаблоны и их комплекты заказывать у плазового цеха.

При построении математических моделей  поверхностей (ММП) деталей выполняемых из металлов не возникает противоречивых ситуаций, т.е. ММП детали можно создать однозначным образом и при изготовлении шаблонов и оснастки не возникает ни каких вопросов. А при проектировании ММП деталей выполненных из композиционных материалов возможно два пути: моделировать деталь, создавая модель каждого слоя, друг за другом, и моделировать деталь как одно целое. Во втором случае информационная модель детали будет обладать достаточной наглядностью и значительной, по сравнению с первым случаем, легковесностью (т.е. не будет требовать выделения больших ресурсов ЭВМ). А в первом случае модель будет содержать в себе достаточно большие объемы информации, что, несомненно, сказывается на производительности компьютера не в лучшую сторону, однако в случае заказов на схему раскроя или шаблонов развертки слоев другими цехами не возникнет проблем, чего не скажешь про второй случай. По этому приходиться анализировать чертежи деталей, прежде чем браться за их восстановление в электронном виде.

Подобный анализ чертежей крыла показал, что наружную обшивку верхней панели² и одну из внутренних, например, следует выполнять, моделируя каждый слой. Этот вывод продиктован сложными контурами обрезов слоев, что может повлечь за собой заказ схемы раскроя слоев. А модель второй из внутренних обшивок верхней панели (между обшивками сотовый заполнитель) и лобиков³ крыла можно выполнять единым телом, без прорисовки каждого слоя в отдельности, экономя тем самым ресурсы машины. Такой метод моделирования называется смешанным: одни детали полностью повторяют реальные (моделирование каждого слоя), другие – лишь внешними поверхностями (моделирование единого тела).