نحوه طراحی سازه های هوافضایی | هوافضای جوان

نحوه طراحی سازه های هوافضایی

همونطور که می دونید هر سازه ای برای انجام یک وظیفه مشخصی طراحی میشه. وظایف اصلی سازه هواپیما انتقال بارهای وارده و مقاومت در برابر این بارها به منظور حفظ شکل آیرودینامکی و نیز محافظت از جان مسافران، بار و سیستم ها در شرایط مختلف پروازی و جوی است. برای طراحی و ساخت چنین سازه ای، روشهای مختلفی از ابتدای تولد هوانوردی و پرواز ارائه و از مواد مختلفی هم استفاده شده که در درسهای قبل در موردش صحبت کردیم. اما می دونیم اختلاف بین سازه های هوایی و غیر هوایی وزن است. هواپیما باید قادر باشه پرواز کنه و توانایی پرواز بستگی به وزن هواپیما داره، به همین ترتیب سازه هواپیما باید تا جای ممکن سبک وزن و در عین حال مقاوم در برابر کلیه بارها باشه. به همین خاطره که سازه هواپیما بر خلاف دیگر وسایل نقلیه بین ۲۰ تا ۴۰ درصد وزن کل هواپیماست. این نکته اهمیت هنر طراحی هواپیما رو از جنبه سازه نشون میده. به همین خاطر مهندسین سازه باید تمام تلاش خودشون رو بکار بگیرن تا سبکترین سازه ممکن رو طراحی کنن. پس طراحی اجزاء مختلف سازه ای روی پایداری، کنترل، محدوده پروازی، نقش عملیاتی و توسعه هواپیما در آینده تاثیر میگذاره.

سازه های هوایی و فضایی به علت نوع وظایف و کارکردشون از حساسیت بسیار زیادی در بین سایر سازه های مهندسی برخوردارن به همین علته که فرایند های مهندسی مختلفی رو برای تبدیل شدن به یک محصول طی میکنن. در طراحی وسایل مهندسی همیشه سه مرحله اصلی طی میشه:

  1. طراحی مفهومی (طراحی شکل و ماموریت کلی وسیله و تعیین پارامترهای اولیه)
  2. طراحی مقدماتی (طراحی قسمت های مختلف و تعیین پارامترهای اصلی)
  3. طراحی جزئیات (طراحی دقیق و تهیه نقشه ها)

سه مرحله بالا معمولا با در نظر گرفتن اهداف زیر انجام میشه:

  1. ایمنی
  2. عمر هر چه بیشتر هواپیما
  3. حداقل وزن
  4. قابلیت ساخت
  5. قابلیت تعمیر و نگهداری
  6. و …

اما سوالی که مطرح میشه این هست که اجزایی که با در نظر گیری موارد بالا ساخته می شوند، چطور و چگونه طراحی و به یک محصول تبدیل می شوند؟ برای پاسخ دادن به این سوال ابتدا کمی دقیق تر وارد دنیای مهندسی طراحی سازه می شویم و در درس بعد هم دنیای تولید و ساخت. دنیایی که پر است از تمامی جذابیت های مهندسی مکانیک و هوافضا.

در درس های قبل با اجزاء مختلف هواپیما آشنا شدیم که این اجزاء در قسمت های مختلف بال، بدنه و دم قرار گرفته و به طور خلاصه از ۶ جزء اصلی زیر تشکیل شده بودن:

  1. تیرک (Spar) که جزء اصلی بال و دم هاست و وظیفش تحمل بارهای برشیه
  2. قاب (Frame) که جزء اصلی بدنه به حساب میاد و وظیفش تحمل گشتاور پیچشیه
  3. تیغه (Rib) که دومین قطعه اصلی بال است. وظیفش تحمل برخی نیروها و انتقال آن به تیرک است.
  4. تیرچه (Longeron) که دومین قطعه اصلی بدنه است و ظیفش تحمل نیروهای محوریه
  5. تقویت کننده (Stringer or Stifener) که در بالها و دم ها و بدنه بکار می روند و وظیفشون تحمل نیروهای محوریه
  6. پوسته (Skin) که سطح خارجی کلیه اجزاء هواپیما را می پوشاند و وظیفش تحمل بارهای برشیه

 البته در یک دسته بندی ساده، سازه هواپیما به سه قسمت اصلی، لوله های نازک تقویت شده مثل بدنه، صفحات تقویت شده مثل سطوح بالایی و پایینی بال و تیرها مانند تیرکهای داخل بال، تقسیم بندی میشه. ترکیب این سه نوع جزء سازه ای با حالات مختلف، سازه هواپیما رو تشکیل میده و همه معادلات ریاضی مرتبط با بحث سازه هم بر این سه نوع جزء سازه ای استواره.

حال نکات دیگه ای رو در طراحی سازه ای در خصوص بال، بدنه دم و سطوح کنترل رو یاد بررسی می کنیم تا ببینیم چه مواردی برای طراحان سازه در این قسمت ها مهمه.

طراحی بدنه:

بدنه هواپیما باید طوری طراحی بشه که دو شرط زیر رو برآورده کنه:

  1. حفظ جان سرنشینان
  2. بطور بهینه ای بارهای دم، بال ارابه فرود و موتور رو به همدیگه ارتباط بده.

چنین شرطهایی در صورتی برآورده میشه که بدنه دارای حجم کافی برای رفاه سرنشینان بوده و دارای کمترین پسا باشد. طراحان و استاندارها ها توصیه می کنن، ایده آل این باشه که سرنشینان توسط سازه در مقابل بار روبروی ۴۰ برابر جاذبه (۴۰g) محافظت بشه. از نظر ایمنی سقوط، هواپیماهای با بال بالا نسبت به پایین ایمن ترند. به عنوان یک اصل اساسی، یک طراحی بدنه ایمن، شامل کابین مسافرینی است که توسط سازه جاذب انرژی محاصره شده باشه و این سازه بتونه ایمنی مسافرین رو در موقع اصابت ضربه حفظ کنه.

حال اگه کمی دقیق تر شویم، با نگاهی به به نحوه توزیع نیروهای روی بال، بدنه و دم متوجه می شویم که نیروی برشی ناشی از نیروی برای دم افقی به اضافه وزن دم افقی و عمودی، نیرویی است که قسمت عقب بدنه باید تحمل کنه، همچنین همین نیرو سبب تولید گشتاور خمشی بدنه میشه و بدنه باید در مقابل آن مقاوم باشه. از طرف دیگه نیروی وارد شده به دم عمودی که به دلیل برخورد باد جانبی به وجود میاد، سبب اعمال نیروی برشی افقی و گشتاور خمشی افقی بر بدنه هواپیما میشه. علاوه بر دو حالت فوق، در هنگام وجود نیروی برآی نامتقارن روی دم افقی، گشتاور پیچشی نیروی روی بدنه وارد خواهد شد.

1

بنابراین قسمت عقب بدنه بایستی ۵ نوع بار (دو نیروی برشی عمودی و افقی، دو گشتاور خمشی افقی و عمودی و یک گشتاور پیچشی) رو تحمل کنه.

به همین ترتیب قسمت جلوی بدنه هم نیروی برشی و گشتاور خمشی ناشی از موتور رو باید تحمل کنه. در هنگام فرود هم چرخهای جلو نیروی برشی، گشتاور های خمشی و پیچشی بر بدنه اعمال می کنن. بال هم بارهای برشی و خمشی خودشو به بدنه منتقل میکنه. در طراحی بدنه، علاوه بر در نظر گرفتن تمامی بارهایی که گفته شده، باید مسائل طارحی در زمینه شیشه جلوی خلبان، درب ورودی، پنجره ها، عایق بندی بدنه در مقابل سر و صدای موتور و هوای بیرون و به فشار اتمسفر رساندن فشار داخل کابین در ارتفاعات بالا و موارد اینچنینی همیشه مد نظر مهندسی سازه  است.

p180_2014_upres_details_017

طراحی بال

بال باید قادر باشه ترکیبی از ۶ بار زیر رو تحمل کنه:

  • نیروی برآ ضربدر حداکثر ضریب بار (L× nmax)
  • نیروی پسا
  • گشتاور خمشی ناشی از نیروی برآ
  • گشتاور خمشی ناشی از نیروی پسا
  • وزن بال و سوخت موجود در مخزن داخل بال و سلاح های زیر بال
  • گشتاور پیچشی که وقتی دماغه پایین می رود

در بین این بارها، گشتاور خمشی ناشی از نیروی برآ از بارهای دیگه اهمیتش بیشتره. به همین خاطره که اکثر بالها دارای یک تیرک اصلی هستن که معمولا در محلی بین محل خط مرکز آیرودینامیک بال و محل حداکثر ضخامت ایرفویل بال قرار داره. این تیرک اصلی نیروی برشی عمودی و گشتاور خمشی ناشی شده از آن رو تحمل می کنه. همچنین یک تیرک فرعی سبک هم وجود داره که قبل از لولاهای فلپ ها و شهپرها قرار گرفته و بار نیروی پسا و گشتاور خمشی عرض آن رو تحمل میکنه.

نکته دیگه ای که در زمینه طراحی سازه بال، اهمیت وجود مخزن سوخت در باله. وجو مخزن سوخت در بال هم مزیت ایمنی داره و هم سبب کاهش بار وارد شده به تیرک بال میشه. پس علاوه بر در نظر گیری فضای کافی برای مخزن سوخت در بال، باید اتصال فلپ و شهپر، اتصال ارابه فرود و محل جمع شدنشون در بال، محل سیستم ها و مواردی اینچنینی هم باید مورد توجه مهندسای سازه قرار بگیره.

طراحی دم و سطوح کنترل

مجموعه دم هواپیما شامل دم افقی، دم عمودی، بالابر و سکان عمودی متحرکه. دو دم عمودی و افقی معمولا دارای دو تیرک هستن که محل نصبشون شبیه محل نصب تیرکهای باله. مهندسای سازه همیشه چند نکته هنگام طراحی دم و سطوح کنترل مد نظر قرار میدن. اول اینکه دمها معمولا دارای سطح مقطع متقارن هستن و نسبت به بال دارای طراحی ساده تری دارن. دوم اینکه ضریب بار در محاسبه نیروی برشی دم عمودی اعمال نمیشه و کل نیروی برشی دم عمودی همون نیروی برآی دم است. در محاسبه نیروی برشی دم افقی، ضریب بار باید در برآی دم افقی ضرب شود. سوم اینکه در صورت عدم وجود بالک سطوح کنترل نیاز به تعادل وزنی دارن تا ارتعاشات شدید سراغشان نیاد و نلرزن. نکته آخر محل اتصال دمها به بدنه است و مهندسین همیشه به آن دقت زیادی دارن مخصوصا اگه نوع دم T شکل باشه. چون فضا کمی کوچک است اما نیروها و بارها بسیار بزرگ هستن.

مراحل طراحی

اگر کمی دقیق تر بشیم مراحل عملی زیر در طراحی سازه یک هواپیمای معمولی طی میشه:

  • در اختیار داشتن پیکربندی هواپیما، شکل و ابعاد دقیق بال، بدنه، دم و دیگر اجزاء، به اضافه توزیع نیروهای فشار روی بال، بدنه و دم ها. (شکل خارجی هواپیما با همکاری تیم طراحی آیرودینامیک تعیین میشه)

2

  • تحلیل و تعیین نیروها و بارهای وارد شده به هواپیما در تمام در تمام حالات ممکن پروازی، مثل نشست، برخاست و مانورها (تبدیل توزیع فشارها و نیروهای آیرودینامیکی به نیرو و گشاور)

3

  • رسم دیاگرام پروازی (V-n) و تعیین مثبت ترین و منفی ترین ضریب بار (nmax– و nmax+)

نمودار سرعت بر حسب ضریب بار نشان میده که سازه هواپیما تا چه میزان مجاز به انجام مانور است.

 نیروی وزن/ نیروی برآ = ضریب بار (n)

4

طبق استانداردها، ضرایب بار برای نوع های مختلف هواپیما داری یک مقدار مشخصیه که مهندسان سازه لازمه که همیشه به آن توجه کنن. مثلا حداکثر مقدار ضریب بار مثبت (nmax+) برابر ۲/۵ تا ۳/۸ و حداکثر مقدار منفی (nmax-) برابر ۱- تا ۱/۵- است.

  • محاسبه بحرانی ترین بارهای (بحرانی ترین نیروها، گشتاورهای خمشی و پیچشی) وارد بر هواپیما
  • در نظر گرفتن نوع سازه (قدیمی خرپایی، فلزی نیمه تخم مرغی یا کامپوزیت)

5

  • در نظر گرفتن یک پیکربندی سازه ای

در این مرحله با توجه به هواپیماهای مشابه و به طور آزمایشی، کلیات سازه تعیین میشه و مواردی از قبیل:

  1. تعداد تیرک های بال و دم ها (تک تیرک- دو تیرک و چند تیرکه)
  2. تعداد قاب های بدنه
  3. نحوه نصب بال و دم و دیگر اجزاء به بدنه
  • رسم منحنی های نیروهای برشی، گشتاور خمشی و گشتاور پیچشی
  • ایده آل سازی، تحلیل آن و تعیین ابعاد اسپارها، قاب و مقطع آنها
  • افزودن تیرک، استرینگر به همراه کاهش ابعاد تیرک، کاهش ضخامت پوسته با در نظر گرفتن پوسته به هنوان عضو تحت تنش و سپس ایده آل سازی، تحلیل و تعیین ابعاد آنها
  • مرحله قبل با چند نوع پیکر بندی سازه ای متفاوت تکرار می شود. در کلیه حالات سازه باید بار را تحمل کند (در این مرحله ابعاد و تعداد چند قطعه کاهش و ابعاد و تعداد چند قطعه دیگر افزایش می یابد)
  • محاسبه وزن سازه های مختلف که در دو مرحله قبل طراحی شدند
  • انتخاب سبکترین آنها به عنوان بهترین و مناسب ترین سازه
  • طراحی جزئیات سازه مرحله قبل

 

etude-conception-issoire-aviation-1421

 

  • محاسبه خستگی و آیروالاستیسیه سازه

iGREEN-FEM_2.5g

  • در صورتی که سازه انتخاب شده از نظر مرحله قبل رد بشه، مهندسان باید به مرحله انتخاب پیکره بندی برگشته و همین مراحل رو تکرار کنن. یعنی یک حلقه طراحی.
  • سازه مورد نظر با نرم افزار های تحلیلی و مهندسی، شبیه سازی، آزمایش و بهینه میشه

6

البته مراحل فوق بصورت کلی گفته شدن و هرکدام جزئیات مربوط به خود را دارن.

در طراحی سازه اکثر وسایل پرنده مثل بالگردها، موشک ها و … هم مراحل فوق انجام میشه. البته بعضی از مراحل بخاطر نوع سازه وسیله پرنده ممکنه فرق داشته باشه و همینطور هم است. مراحلی که گفته شد، روشی سنتی در طراحی وسایل پرنده است البته نه اینکه این روند و مراحل دیگه طی نمیشه ولی با توجه به پیشرفت ها عصر حاضر، روش ها و الگوهای دیگری به یاری مهندسین، علی الخصوص مهندسین سازه اومده که نمونه آن نرم افزارهای قدرمند مدلسازی و تحلیل است که به آنها کمک میکنه سازه هایی با مشخصات و ویژگی های مطلوب برای وسایل پرنده طراحی کنن. همچنین پیشرفت های مهم علم متالورژی و مواد در کنار روش های مدرن ساخت و تولید باعث خلق سازه های بسیار مطلوب تری نسبت به دهه های گذشته شده که در درس های بعدی قراره که در این خصوص بیشتر صحبت کنیم.


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.