Details

Объект исследования — втулка несущего винта лёгкого многоцелевого вертолёта Bell OH-58 Kiowa, один из наиболее нагруженных элементов несущей системы. Цель работы — снижение массы втулки при сохранении её прочностных характеристик. Решены задачи: построение геометрической модели, статический расчёт исходной конструкции, топологическая оптимизация и статический расчёт полученной модели с оценкой результатов. Методологическую основу составляют метод конечных элементов и топологическая оптимизация по методу плотностного распределения (SIMP). Нагрузки на втулку (центробежная и подъёмная силы, аэродинамическое сопротивление) определены аналитически, а напряжённо-деформированное состояние, запас прочности и усталостная долговечность — численно. В результате разработана облегчённая модель втулки, выдерживающая заданные нагрузки; проанализированы эквивалентные напряжения по Мизесу, запас прочности и число циклов до разрушения. Результаты применимы при проектировании несущих систем вертолётов и других нагруженных деталей авиатехники, изготавливаемых аддитивными методами. Исследование подтверждает, что топологическая оптимизация существенно снижает массу детали без потери несущей способности. Работа выполнена в ANSYS Mechanical (расчёт, оптимизация, усталостный анализ) и Ansys SpaceClaim с SolidWorks (подготовка геометрии).

The object of the study is the main rotor hub of the Bell OH-58 Kiowa light multi-purpose helicopter, one of the most loaded elements of the rotor system. The aim is to reduce the mass of the hub while maintaining its strength characteristics. The following tasks were solved: building the geometric model, static analysis of the initial design, topology optimization, and static analysis of the resulting model with evaluation of the results. The methodology is based on the finite element method and density-based topology optimization (SIMP). The loads acting on the hub (centrifugal and lift forces, aerodynamic drag) were determined analytically, while the stress-strain state, safety factor and fatigue life were evaluated numerically. As a result, a lightweight hub model that withstands the specified loads was developed; the von Mises stresses, the safety factor and the number of loading cycles to failure were analyzed. The results can be applied in the design of helicopter rotor systems and other highly loaded aircraft parts made by additive technologies. The study confirms that topology optimization significantly reduces the mass of a part without loss of its load-bearing capacity. The work was carried out using ANSYS Mechanical and Ansys SpaceClaim with SolidWorks.