Инновационная разработка, движимая расчётами позволила добиться желаемого результата от новой конструкции катапультируемого кресла для военного самолёта менее чем за 14 месяцев.
 |
||
| Катапультируемое кресло, использующееся в экстренных случаях на военных самолётах. Тяга взрывчатого заряда или ракетного двигателя выбрасывает кресло из самолёта вместе с пилотом. Данное фото показывает кресло типа ACESII. |
Военное катапультируемое кресло передовой разработки ACESII, является одним из наиболее успешных систем спасения экипажа в истории ВВС США, которая спасла более 450 жизней со времени начала его применения в 1976 году. Более 8000 кресел используются по настоящее время на таких самолётах как F-15, F 16, B-1B, B-2, A-10, F-117 и F-22. Взяв за основу прочностные характеристики кресла ACESII, компании из США Goodrich Aircraft Interiors и Concurrent Technologies Corporation (CTC), разработали следующее поколение кресла – ACES 5 для совместного ударного истребителя F 35. Конструкция нового кресла была оптимизирована в целях улучшения безопасности, уменьшения времени обслуживания, уменьшения веса и для интеграции с кокпитом истребителя F-35. Несмотря на это, данная сложная задача была решена, в результате которой был получен новый тип конструкции кресла менее чем за 14 месяцев.
Параметрическая связь между платформой ANSYS Workbench и Pro/ENGINEER Wildfire являлась критическим фактором в успешной разработке конструкции, которая бы отвечала всем требованиям и не выходила за рамки жёсткого графика. Инженеры СТС могли быстро обновлять расчётную модель для выполнения анализа множества вариантов конструкции. Такая согласованная разработка и подход на основе анализа позволили команде оптимизировать кресло в функциональности и весе с самой ранней стадии разработки.
Анализ кресла был разбит на три фазы. Первая фаза анализа – это разработка концепции конструкции. На её протяжении инженеры конструировали кресло для обеспечения необходимых функциональных возможностей, где моделирование применялось для проверки надёжности конструкции и оптимальности веса. Функциональные, конструкционные и требования безопасности были получены на основе анализа спецификации от разработчика самолёта компании Lockheed Martin. Для уменьшения времени обслуживания была разработана модульная конструкция кресла, позволяющая его легко извлекать из самолёта. Модульное кресло состоит из спинки, люльки, парашюта, набора выживания и модуля интерфейса с самолётом. В процессе проектирования нового кресла были уменьшены стоимость сборки и количество деталей, заменив несколькими обработанными на станке фрезерованными деталями множество штампованных из листа компонент. Инженеры оценивали конструкцию в жёстких условиях нагружения, таких, как катапультирование из самолёта, движущегося со скорость 1200 км/ч, нагрузок от парашюта и сил, возникающих при приземлении.
Первая фаза анализа дала оценку отдельным компонентам предварительной конструкции кресла. Изображение эквивалентных напряжений, возникающих в материале люльки на различных стадиях эволюции её конструкции демонстрирует, как в процессе катапультирования ноги пилота под ударом ветра вынуждены двигаться друг от друга и тем самым воздействуют на конструкцию, «раздвигая» боковые стенки люльки.
 |
 |
| Вариант №1, вес 0.953 кг. | Вариант №2, вес 1.361 кг. |
 |
 |
| Вариант №3, вес 1.225 кг. | Вариант №4, вес 1.270 кг. |
Конструкция была оптимизирована для стойкости к раздвигающей силе, иначе пилот мог бы получить критические повреждения. Команда инженеров анализировала конструкцию при катапультировании и приземлении внутри среды ANSYS Workbench. После того, как один раз были произведены все необходимые настройки для моделирования, были быстро оценены все варианты конструкции при всех прикладываемых нагрузках, простым обновлением геометрии из CAD системы.
На протяжении следующей фазы, команда СТС построила системную модель конструкции кресла. Анализ конструкции кресла как целой части дал наиболее показательный взгляд на то, как в действительности будут вести себя структурные компоненты кресла и устранил компромиссы, связанные с анализом отдельных подсистем или модуле кресла. Для подготовки системной модели для анализа, команда импортировала CAD-геометрию в инструмент ANSYS DesignModeler, где происходили операции модификации геометрии, такие как удаление заклёпок и отверстий. Кроме того, несколько компонент были конвертированы в оболочечные модели по их срединной поверхности, используя автоматическую функцию поиска срединной поверхности.
Команда СТС назначила свойства материалов, задала граничные условия и нагрузки к системной модели. Контактные области описывали каждую склёпанную грань на деталях кресла. Это позволило использовать результирующие контактные силы реакции для определения требуемого количества заклёпок в каждом соединении.
Расчётная модель была построена сеткой конечных элементов, используя гексадоминантный алгоритм с глобальным размером элемента 0.125 дюйма. Один линейно-упругий статический анализ модели кресла выполняется менее чем за 30 минут, используя прямой решатель в программе расчёта механики, доступной через платформу ANSYS Workbench. Короткое общее время анализа позволило инженерной команде быстро выполнять оценку различных конструкторских сценариев типа «что если…».
В действительности нагрузки, действующие на кресло, являются динамическими по своей природе, и кресло будет их испытывать только единожды в течении времени раскрытия парашюта. Поскольку системная модель использует подход статического моделирования без учёта нелинейных свойств материалов, то данное моделирование показало, что существуют небольшие области концентрации напряжений, которые превышают предел прочности материала. Инженеры внимательно рассмотрели эти области, используя метод подмоделирования, позволяющий материалу пластически деформироваться в течение третьей фазы анализа.
Для построения подмодели, инженеры сначала вырезали область интереса, используя инструментарий ANSYS DesignModeler. Затем применили разработанную подпрограмму, используя объекты Command, в программе моделирования механики ANSYS Workbench. Подпрограмма интерполирует перемещения системной модели на границы отсечения подмодели.
 |
 |
| Подмодель области с высокими напряжениями в DesignModeler. Красным показаны границы отсечения. | Результаты на подмодели обеспечивают более точные величины напряжений, по сравнению с глобальной статической моделью. |
Результаты расчёта подмодели обычно показывают некоторое постоянную конечную деформацию, при которой не происходит превышения предела прочности материала. Кроме того, подмодель позволяет получить более точные результаты, что связано с более мелкой сеткой. Используя данную технику, было произведена оценка прочности приблизительно 30-ти областей с высокими напряжениями, для того, что бы точно убедиться в сохранении целостности конструкции в экстремальных условиях. Эти результаты доказали, что были достигнуты предельные нагрузочные требования.
После 10 месяцев разработки, было построено 5 прототипов кресла для испытаний, и первое испытание на катапультирование кресла ACES 5 F-35 JSF произошло после 14 месяцев. С первого раза кресло безупречно выполнило испытание. Этот экстраординарный итог – результат большой работы в одной команде инженеров Goodrich и CTC, который был бы недостижим без использования программного обеспечения для инженерных расчётов.
