Дипломная работа: Совершенствование конструкции закрылка самолета

Соединения титана используются для изготовления прочного режущего инструмента, красок, пластика и бумаги, хирургических инструментов, имплантатов, ювелирных изделий, отделочных материалов, применяется в пищевой промышленности. Все направления сложно описать. Современная медицина из-за полной биологической безопасности часто использует титан. Цена - это единственный фактор, который пока влияет на широту применения данного элемента. Справедливым является утверждение, что титан - материал будущего, изучая который, человечество перейдет на новый этап развития.

При температуре 0 ⁰С его плотность составляет 4,517 г/см³. Вещество имеет низкую удельную массу, что характерно для щелочных металлов (кадмий, натрий, литий, цезий). По плотности титан занимает промежуточную позицию между железом и алюминием, при этом его эксплуатационные характеристики выше, чем у обоих элементов.

Основными свойствами металлов, которые учитываются при определении сферы их применения, являются предел текучести и твердость. Титан прочнее алюминия в 12 раз, железа и меди - в 4 раза, при этом он значительно легче. Пластичность чистого вещества и предел его текучести позволяют производить обработку при низких и высоких температурных значениях, как и в случае с остальными металлами, т.е. методами клепки, ковки, сварки, проката.

Отличительная характеристика титана - его низкая тепло- и электропроводность, при этом данные свойства сохраняются при повышенных температурах, вплоть до 500 ⁰С. В магнитном поле титан является парамагнитным элементом, он не притягивается, как железо, и не выталкивается, как медь. Очень высокие антикоррозийные показатели в агрессивных средах и при механических воздействиях уникальны. Более 10 лет нахождения в морской воде не изменили внешнего вида и состава пластины из титана. Железо в этом случае было бы уничтожено коррозией полностью.

Повышенная коррозийная устойчивость элемента объясняется образованием на поверхности небольшой оксидной пленки. Она предотвращает (при нормальных условиях) химические реакции с газами (кислород, водород), находящимися в окружающей атмосфере такого элемента, как металл титан. Свойства его изменяются под воздействием температуры. При ее повышении до 600 ⁰С происходит реакция взаимодействия с кислородом, в результате образуется оксид титана (TiO₂). В случае поглощения атмосферных газов образуются хрупкие соединения, которые не имеют никакого практического применения, именно поэтому сварка и плавка титана производятся в условиях вакуума. Обратимой реакцией является процесс растворения водорода в металле, он более активно происходит при повышении температуры (от 400 ⁰С и выше). Титан, особенно его мелкие частицы (тонкая пластина или проволока), сгорает в атмосфере азота.

Титановые сплавы целесообразно разделить на три большие группы:

Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы, что позволяет им обеспечивать оптимальное соотношение характеристик прочности и пластичности.

Жаропрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы с большим или меньшим количеством химического соединения (или начальной стадии его образования), что обеспечивает им повышенную жаропрочность при минимальном снижении пластичности. Титановые сплавы на основе химического соединения - представляют интерес как жаропрочный материал с низкой плотностью, способный конкурировать с жаропрочными никелиевыми сплавами в определенном температурном интервале.

В настоящее время титан - один из важнейших конструкционных металлических материалов. Для этого титану в течение 200 лет пришлось пройти путь от признания его непригодным в конструкционных целях до всеобщего признания как перед одним из самых перспективных и вечных металлов. Виды сплавов и их физические свойства указаны в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Основные механические свойства титановых сплавов

2.3.2 Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы -- сплавы, основной массовой частью которых является алюминий. Самыми распространенными легирующими элементами в составе алюминиевых сплавов являются: медь, магний, марганец, кремний и цинк. Реже -- цирконий, литий, бериллий, титан. В основном алюминиевые сплавы можно разделить на две основные группы: литейные сплавы и деформируемые (конструкционные). В свою очередь, конструкционные сплавы подразделяются на термически обработанные и термически необработанные. Большая часть производимых сплавов относится к деформируемым, которые предназначены для последующей ковки и штамповки.

Промышленный асортимент прессованных профилей из алюминиевых сплавов весьма разнообразен. Профили подразделены на четыре группы:

1) профили сплошного сечения;

2) профили переменного сечения;

3) пустотелые (полые) профили;

4) панели.

Основными потребителями полых профилей из легких сплавов являются авиационная промышленность, судостроение, холодильная техника, электротехническая промышленность, радиолокация, в строительстве.

Сплавы низкой прочности (технический алюминий, АМц, АМг1, АМг2, АМг3, АМг4) не упрочняются термической обработкой и полуфабрикаты из них применяются в отожжённом состоянии или после упрочнения в результате холодной деформации. Некоторые сплавы системы Al - Mg - Si , например АД31, АД33, также относятся к сплавам низкой прочности. Однако эти сплавы упрочняются термической обработкой и профили из них применяются после закалки и искусственного и естественного старения. Эти сплавы обладают хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Сплавы средней прочности можно разделить на две группы: термически неупрочняемые - АМг5, АМг6, АМг61 и термически упрочняемые - АВ, Д1, 1925, В92, АК4, АК4-1, Д19.

Полуфабрикаты из сплавов первой группы применяются только в отожженном состоянии и обладают хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Полуфабрикаты из сплавов второй подгруппы применяются после закалки и последующего естественного или искусственного старения. Сплав АВ, 1915, В92 относятся к высококоррозионным свариваемым сплавам, сплав АК, 1925 и Д1 - низкие коррозионную стойкость, и свариваемость.

Высокопрочные алюминиевые сплавы В95, Д16 интенсивно упрочняются при термической обработке. Полуфабрикаты из сплавов В95 - применяются после закалки и искусственного старения, а из сплава Д16 - обычно после закалки и естественного старения. Коррозионная стойкость сплавов этой группы невысока, поэтому приходится применять специальные методы защиты (плакирование, анодирование, нанесение лакокрасочных покрытий). Сплав Д16 обладает более высокими пластическими характеристиками и жаропрочностью. При сварке термически упрочняемых сплавов сварной шов и околошовная зона значительно ослабляются, отчего снижается коррозионная стойкость. Поэтому сплавы этой группы относятся к несвариваемым. Сборку конструкций из этих сплавов осуществляют при помощи заклепочных и реже - болтовых соединений.

Для производства профилей, применяемых при изготовлении тяжелонагруженных конструкций используют сплавы В95, Д16.

Для производства профилей применяемых при изготовлении среднезагрузочных конструкций, используют в основном сплавы Д1, Д20, АК4-1, АВ, 1915, 1925, АМг5,6,61. Сплав Д1 - после закалки и естественного старения. Сплавы Д20, АК4-1, АВ - после закалки и искусственного старения, сплавы 1915 и 1925 - после закалки и искусственного или естественного старения, а сплавы АМг5, АМг6, АМг61 - после отжига. Из этих сплавов делают рамы и кузова железнодорожных вагонов, сварные балки, подвесные нагруженные потолки, перегородки зданий, корпуса, палубные надстройки и переборки судов. Деформированная структура алюминиевого сплава АМг6 приведена на рисунке 2.6.

а) изображение ячеистой структуры; б) дислокационная структура границ ячеек

Рисунок 2.6 - Микроструктура исходного алюминиевого сплава АМг6

Для изготовления ограждающих и отделочных строительных конструкций применяются профили из сплавов АВ и АД31 в закаленном и естественно состаренном состоянии. В этом состоянии указанные сплавы обладают повышенной коррозионной стойкостью, хорошо полируются и анодируются. Кроме того, в отдельных случаях для изготовления ограждающих строительных конструкций используют сплавы АМг6 и АМг3.

Профили применяют в автомобильной промышленности, для охладителей силовых полупроводниковых приборов, в строительстве и оформлении интерьера.

Механические свойства алюминиевых сплавов представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Основные механические свойства алюминиевых сплавов

При температурах 150-250 С большую прочность имеют Д19, АК6, АК8. При больших температурах (250-300 С) целесообразно применение других сплавов - АК4-1, Д20, 1201. Сплавы Д20 и 1201 имеют самый широкий температурный диапазон применения (от криогенных -250 С до +300 С) в условиях высоких нагрузок. С целью подбора материала и размеров элементов проводится проектировочный расчёт нагрузки на закрылок Ан-148 и его механизмов.

2.4 Расчет нагрузки на закрылок и расчет механизма перемещения

2.4.1 Расчет нагрузки, действующей на закрылок

Закрылок, как и его составные части испытывают большие нагрузки при работе. Для каждого типа закрылка с учётом площадей, материалов и режимов работы существуют свои пределы прочности и текучести.

Расчёт закрылка заключается в определении сил действующих на него, учитывая скорость полета, площадь закрылка и плотность воздуха.

где сила действующая на закрылок [Н];

плотность воздуха на определённой высоте [];

площадь закрылка [];

Далее для удобства расчётов известные величины заносятся в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 - Зависимость скорости полёта самолета от угла установки закрылка

Затем, по данным из таблицы 2.3 , рассчитывается сила по формуле 2.1:

Результаты расчёта при угле установки закрылка от 0° до 40° представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Зависимость усилий возникающих на закрылке от скорости полёта и угла установки закрылка

Таким образом получают, что наибольшая сила , которая воздействует на закрылок соответствует углу установки 10° и скорости 350 км/ч, и равна 19517,9 Н.

Затем следует посчитать воздушную нагрузку, которую испытывает закрылок на тех же углах и скоростях:

где

?коэффициент безопасности (1,5) .

Скоростной напор на различных скоростях полёта указан в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Зависимость скоростного напора от скорости полёта

Как видно по таблице 2.5, самый большой напор приходится именно на режим посадки.

Для получения расчётной воздушной нагрузки, значения из таблицы 2.5 подставляются в формулу 2.2:

Все результаты расчётов внесены в таблицу 2.6, при угле установки от 0° до 40°.

Таблица 2.6 - Зависимость воздушной нагрузки от угла установки закрылка