69154

СИЛОВЫЕ СХЕМЫ, КОНСТРУКЦИЯ И РАБОТА КРЫЛЬЕВ

Лекция

Астрономия и авиация

В обычной конструкции крыла силовыми элементами являются рис.1: обшивка; лонжероны и стрингеры продольный набор крыла; нервюры поперечный набор крыла; соединения заклепочные болтовые сварные или клеевые. Конструкция крыла 1 обшивка; 2 лонжерон; 3 стрингер; 4 нервюра; 5 соединения...

Русский

2014-09-30

2.83 MB

141 чел.

22

Министерство образования и науки Украины

Национальный авиационный университет

Аэрокосмический институт

Кафедра конструкции летательных аппаратов

 

ЛЕКЦИЯ № 14 (3)

по дисциплине "Конструкция и прочность летательных аппаратов"

14. СИЛОВЫЕ СХЕМЫ, КОНСТРУКЦИЯ
И РАБОТА КРЫЛЬЕВ

Составитель проф. Радченко А.И.

 

Киев  2009

14. СИЛОВЫЕ СХЕМЫ, КОНСТРУКЦИЯ И РАБОТА
              КРЫЛЬЕВ

Крыло представляет собой сложное инженерное сооружение. При проектировании и расчете на прочность выделяются силовая схема и
силовые элементы.

В обычной конструкции крыла силовыми элементами являются
(рис. 14.1):

- обшивка;

- лонжероны и стрингеры (продольный набор крыла);

- нервюры (поперечный набор крыла);

- соединения (заклепочные, болтовые, сварные или клеевые).

Рис. 14.1. Конструкция крыла

1 — обшивка; 2 — лонжерон; 3 — стрингер; 4 — нервюра; 5 — соединения

Крыло самолета-моноплана можно рассматривать как балку, которая под действием нагрузок работает на изгиб, сдвиг и кручение.

Часть балки крыла, ограниченная передним и задним лонжеронами, называется кессоном.

14.1.  ПУТЬ СИЛ  И  РАБОТА ЭЛЕМЕНТОВ  В СИЛОВОЙ  
                  СХЕМЕ  КРЫЛА

Рассмотрим напряженно-деформированное состояние (НДС) крыла, проследив последовательность передачи сил в силовой схеме.                                                                         

Основная нагрузка на крыло — воздушная.

Массовые нагрузки от сил тяжести и инерции конструкции распределяются по каждому ее элементу. Дальше эти нагрузки передаются совместно с приходящимися на элемент силами от воздушной нагрузки.

Рассмотрим последовательность передачи сил по элементам силовой схемы прямого двухлонжеронного крыла с малой конусностью.

  1.  Воздушная нагрузка (рис. 14.2) непосредственно воспринимается обшивкой, опертой на стрингеры, нервюры и лонжероны. При этом обшивка нагружается избыточным давлением, которое является разностью внутреннего (оно практически равно атмосферному) и наружного, определяемого условиями обтекания крыла,

ризб = рнар - рвн.    (14.1)

Рис. 14.2. Распределение нагрузки от избыточного давления по поверхности крыла

Обшивка в соответствии с направлением ризб прижимается к опорам или отрывается от них. При этом она работает на поперечный изгиб и как мембрана на растяжение цепными напряжениями (при наличии прогиба).

2. Нагрузка от обшивки передается на нервюры и стрингеры в виде распределенной  по  их  длине погонной  нагрузки  qн и qстр (рис. 14.3, а).

Это происходит при непосредственном контакте при прижатии или через соединения (заклепки, сварные или клеевые соединения) при отрыве.

Рис. 14.3. Нагрузки на силовые элементы крыла

а - нагрузки от обшивки на нервюры и стрингеры;

б - нагружение и уравновешивание нервюры;

в - нагружение и уравновешивание стенки и поясов лонжерона

1 - стрингер, 2 – нервюра.

3.  Стрингеры работают на поперечный изгиб как многоопорные балки. Они передают приходящую к ним нагрузку на нервюры в виде сосредоточенных сил Rн. На нервюры передаются также нагрузки от креплений грузов и конструкций, установленных на крыле.

4. Схема нагружения и уравновешивания нервюры показана на
рис. 14.3,
б. Здесь ΔYН — равнодействующая нагрузок, приходящихся на нервюру от обшивки и стрингеров. Она приложена в центре нагрузок сечения крыла и уравновешена реакциями ΔQ1 + ΔQ2 = ΔQ. Эти реакции вызывают погонные касательные усилия q1 и q2, которые возникают от заклепочных швов соединений нервюры со стенками лонжеронов.

Момент ΔYН·а стремится повернуть нервюру относительно центра жесткости сечения крыла. Он уравновешен крутящим моментом ΔМкрут от потока касательных усилий Δqкрут, возникающего в замкнутом контуре соединения нервюры со стенками лонжеронов и с верхней и нижней обшивкой.

Под действием указанных нагрузок и реакций нервюра работает на изгиб и сдвиг в своей плоскости.

5. От нервюры на стенки лонжеронов и обшивку действуют потоки
Δq1, Δq2, Δqкрут, равные потокам, идущим на нервюру от стенок и обшивки, и в сумме эквивалентные нагрузке на нервюру ΔYн.

Рассмотрим нагружение и уравновешивание стенки лонжерона
(рис. 14.3,
в и 14.4).

Рис   14.4   Схемы возникновений осевых сил в панелях Рпан, поперечной
             силы
Q в   стенках   кессона   (а)   и   нагружения   контура   крутящим
             моментом   
Мкрут   (б)

Свободный конец лонжерона находится у нервюры  Н1,   лонжерон крепится   к  центроплану  у   нервюры  Н4.

От нервюр Н1, Н2, Н3, Н4  на стенку передаются потоки касательных усилий Δq11, Δq12, Δq13, Δq14.        

Стенка уравновешивается потоками усилий q1-2 = Δq11, q2-3 = q1-2 + Δq12,  q3-4 = q2-3 + Δq13, которые возникают в соединении стенки с поясами лонжерона и потоком q4 = q3-4 + Δq14 , который действует в соединительном шве крепления стенки к центроплану.

По закону парности касательных напряжений погонные  касательные усилия q и напряжения τ = q/δ в вертикальном и горизонтальном сечениях, проходящих через определенную точку стенки, равны.

Значения q и τ скачкообразно возрастают при переходе от нервюры к нервюре и движении в направлении от конца к корню крыла.

Также скачкообразно меняется и эпюра поперечных сил Q
(рис. 14.4,
а), но при построении ее расчетным путем (без учета дискретного приложения нагрузок к стенкам) она имеет вид, показанный на рисунке штриховой линией.

При непараллельности поясов на стенки передаются дополнительные нагрузки от Мизг .

Стенка, которая нагружена потоками погонных касательных усилий Δq и q, работает на сдвиг.

6. Потоки усилий qi  (см. рис. 14.3, в)  передаются от стенки через заклепочные швы  (или соединения другого типа)  на пояса лонжерона и нагружают пояса осевыми усилиями. Их величина увеличивается от конца к корню крыла.

Пояса входят в состав панелей. Поэтому определенная доля осевых нагрузок снимается с них обшивкой и передается на стрингеры за счет работы обшивки на сдвиг.

Осевые нагрузки вызывают растяжение или сжатие элементов панелей. На рис.  14.3,  в  верхний   пояс  сжимается,   а   нижний   растягивается усилиями Рп1.

На рис. 14.4, а показана эпюра осевых сил в панели Рпан вдоль размаха крыла.

Внутренние усилия растяжения и сжатия панелей Рпаи в каждом сечении крыла образуют пару сил, момент которой и является изгибающим моментом крыла в данном сечении Мизг.

Поперечная сила Q = Q1 + Q2.

У борта фюзеляжа усилия Q и изгибающий момент Мизг передаются на узлы крепления консоли крыла к фюзеляжу или центроплану.

Крутящие моменты ΔМкрут, которые передаются нервюрами на замкнутый контур в виде потоков касательных усилий Δqкрут, скачкообразно накапливаются  от конца к корню крыла (см. рис. 14.4, б). Они уравновешиваются в сечениях крыла крутящим моментом Мкрут, распределенным по контуру сечения в виде погонных касательных усилий Δqкрут.

Под действием касательных усилий обшивка работает на сдвиг.

На рис. 14.4, б штриховой линией показана эпюра крутящих моментов, построенная без учета дискретной передачи нагрузок на замкнутый контур.

Выше была рассмотрена схема передачи сил от обшивки к стенкам. Она справедлива для крыла с обшивкой, которая имеет невысокую изгибную жесткость.

В крыле с более жесткой обшивкой возможна передача воздушной нагрузки от обшивки к стенкам, как через нервюры, так и минуя их.

Сделаем краткие выводы о назначении и работе силовых элементов, которые образуют основную силовую схему крыла. Она обеспечивает общую прочность балки крыла.

Обшивка:

- придает крылу обтекаемую форму;

- воспринимает воздушную нагрузку. При этом она работает на поперечный изгиб. При наличии прогиба обшивка работает также и на растяжение (цепные напряжения);

- при изгибе и кручении балки крыла обшивка работает также на растяжение (или сжатие) и на сдвиг.

Лонжероны.

Пояса лонжеронов, работают на растяжение или сжатие. Они воспринимают часть изгибающего момента.

Стенки лонжеронов воспринимают поперечную силу и совместно с обшивкой воспринимают крутящий момент. Они работают на сдвиг.

Стрингеры: 

- воспринимают вместе с обшивкой часть изгибающего момента. При этом они работают на растяжение или сжатие;

- передают воздушную нагрузку от обшивки на нервюры, работая на поперечный изгиб.

- стрингеры, являются опорами обшивки, они повышают ее критические напряжения и уменьшают местные деформации.

Нервюры: 

- сохраняют заданную форму профиля крыла;

- передают на лонжероны и обшивку нагрузки от воздушных и массовых сил;

- повышают критические напряжения обшивки и стрингеров, так как они являются опорами обшивки и стрингеров.

Соединения связывают между собой основные силовые элементы и передают силы от одних частей силовой схемы к другим.

В конструкцию крыла входит также ряд деталей, не относящихся к силовой схеме (законцовки крыла, зализы, ленты или крышки, закрывающие щели в плоскостях разъемов крыла, вспомогательные стенки перед элеронами и др.). Эти детали воспринимают приходящиеся на них местные нагрузки, передают их на основные силовые элементы, для чего они должны обладать необходимой прочностью.

9.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В СЕЧЕНИИ КРЫЛА

Напряженно-деформированное состояние крыла можно рассмотреть, используя метод сечений. В сечении крыла действуют внутренние силовые факторы: поперечная сила Q, крутящий момент Мкрут (в плоскости сечения) и изгибающий момент Мизг (из плоскости)  (рис. 14.5).

Силовые элементы в современных авиационных конструкциях проектируются в соответствии с принципом распределения усилий для наилучшего (с точки зрения экономии массы конструкции) использования их несущей способности:

1.Изгибающий момент Мизг распределяется в основном между верхней и нижней панелями балки крыла в виде пары осевых усилий Pпан = Мизг/Н.

Чтобы Рпан было меньше, панели удаляют на максимально возможную в пределах профиля сечения рабочую высоту Н. В сечении панели сила Рпан распределяется в виде нормальных напряжений  σMизг  между  поясами   (полками)   лонжеронов,  стрингерами и обшивкой пропорционально их несущей способности на растяжение и сжатие, характеризуемой в пределах упругости значениями жесткости ЕiFi.

     Рис 14. 5. Усилия в сечении крыла и соответствующие им напряжения
                     в  элементах

Действием Мизг на стенки лонжеронов можно пренебречь, так как они расположены вблизи нейтральной плоскости изгиба и σ в них невелики. Но при непараллельности поясов изгибающий момент Мизг вызывает в стенках дополнительные поперечные нагрузки, которые суммируются с Q.

  1.  Усилие Q распределяется в основном между стенками лонжеронов в виде касательных напряжений τа. Стенки обладают наибольшей несущей способностью в восприятии Q, так как расположены в направлении ее действия и имеют большую жесткость на сдвиг GiEi, чем другие элементы сечения.
  2.  Крутящий момент Мкрут распределяется в основном в виде напряжений τМкрут, действующих в элементах сечения тонкостенной замкнутой конической оболочки, образованной обшивкой и стенками лонжеронов. Эта оболочка обладает наибольшей несущей способностью для восприятия Мкрут, так как имеет замкнутый контур, заполняющий большую часть профиля сечения, т. е. ее крутильная жесткость GJкрут значительно больше, чем  у других элементов   (стрингеров, поясов).

14.3. ТИПОВЫЕ СИЛОВЫЕ СХЕМЫ КРЫЛА

Из трех усилий Q, Мизг и Мкрут, которые действуют в поперечных сечениях крыла, изгибающий момент можно назвать основным. Более 50% общей массы конструкции крыла составляют силовые элементы, обеспечивающие требуемую прочность крыла на изгиб.

В зависимости от того, между какими силовыми элементами главным образом распределяется изгибающий момент, можно выделить две предельные силовые схемы крыльев: лонжеронную и моноблочную.                               

Силовая схема крыла называется лонжеронной, если изгибающий момент в основном воспринимается поясами лонжеронов (рис. 14.6, а). Эта схема, распространенная в начале развития авиации, в настоящее время применяется на легких самолетах.  Лонжеронное крыло имеет мощные пояса лонжеронов, сравнительно слабые стрингеры и тонкую обшивку.

 Рис.  14.6. Усилия от Мизг в силовых элементах лонжеронной  (а) и моноблочной (б)
                 силовых схем крыла

Силовая схема крыла называется моноблочной, если изгибающий момент в основном воспринимается обшивкой и стрингерами (рис. 14.6, б). Схема применяется в скоростных монопланах.

Моноблочное крыло имеет мощный стрингерный набор, толстую обшивку и сравнительно слабые пояса лонжеронов (площади поперечных сечений поясов того же порядка, что и площади сечений стрингеров).

Проведем краткий сравнительный анализ приведенных силовых схем по некоторым важнейшим свойствам.

Масса конструкции. Для моноблочных крыльев материал обшивки можно использовать более рационально, что приводит к уменьшению массы крыла. Преимущества моноблочной схемы с точки зрения уменьшения массы крыльев возрастают с увеличением массы самолета, угла стреловидности, удлинения крыла и с уменьшением относительной толщины профиля крыла.

Жесткость. Моноблочные крылья по сравнению с лонжеронными крыльями обладают большей жесткостью на изгиб и кручение.

Надежность и живучесть. В моноблочном крыле выход из строя части силовых элементов в результате усталостных разрушений или случайных повреждений не приводит к немедленному разрушению всей конструкции. В лонжеронном крыле выход из строя хотя бы одного из поясов лонжеронов, как правило, приводит к быстрому разрушению всей конструкции.

Таким образом, приведенные выше свойства моноблочных крыльев обусловливают их преимущество перед лонжеронными крыльями.

Производственная и эксплуатационная технологичность определяет преимущества лонжеронной схемы. В лонжеронных крыльях обшивка и стрингеры мало работают на изгиб, поэтому в них можно делать вырезы (люки) в обшивке для монтажа и осмотра топливной аппаратуры, ниши для уборки шасси, монтажа и осмотра проводки управления и другие, не уменьшая значительно прочности крыла.

В моноблочных крыльях вырезы на обшивке обязательно должны закрываться более тяжелыми силовыми крышками на винтах и болтах, способных выдержать как усилия сдвига, так и осевые силы. Это затрудняет размещение грузов и оборудования внутри крыла, а также осмотр оборудования и уход за ним в процессе эксплуатации.

Кроме того, лонжеронные крылья проще моноблочных в отношении крепления отъемных частей к центроплану или фюзеляжу.

У современных самолетов удельная нагрузка р велика, а относительная толщина профиля с крыльев— небольшая. Это является причиной того, что чисто лонжеронные (с обшивкой, не воспринимающей Мизг) и чисто моноблочные силовые схемы (без явно выраженных поясов лонжеронов) в настоящее время можно рассматривать как предельные конструктивные схемы.

Конструкция крыльев современных скоростных самолетов с обшивкой, которая  подкреплена стрингерами, близка к моноблочной, но имеет еще и мощные пояса лонжеронов. Такую конструкцию называют кессонной.

Проведенный анализ лонжеронной и моноблочной силовых схем крыльев показывает, что каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому иногда одни участки конструкции крыла (например, отъемная часть) выполняются по схеме, близкой к моноблочной, а другие (например, центроплан, зона уборки шасси) — к лонжеронной.

14.4.  КОНСТРУКЦИИ КРЫЛЬЕВ СОВРЕМЕННЫХ
                   САМОЛЕТОВ

До недавнего времени характерным примером конструкции крыльев для средних и тяжелых пассажирских самолетов являлось стреловидное крыло, состоящее из центроплана, двух средних и двух отъемных частейконсолей (рис. 14.7). Основную силовую часть крыла — кессон образуют два лонжерона, межлонжеронные панели, состоящие из обшивки, подкрепленной стрингерами, и средние части нервюр.

Сосредоточенные нагрузки передаются на кессон через усиленные  нервюры. Внутренние объемы кессона герметизированы и используются как баки-отсеки для размещения топлива.

Лонжероны — балочного типа. Обшивка и стрингеры верхних панелей, рассчитываемые на сжатие, изготовлены из высокопрочного алюминиевого сплава В95. Нижние панели, работающие на растяжение, рассчитываемые на обеспечение усталостной прочности, выполнены из дюралюминия Д16.

Наиболее толстая обшивка установлена в корневой части крыла у заднего лонжерона в наиболее нагруженной зоне стреловидного крыла.

Рис. 14.7.  Схема  стреловидного  крыла самолета Ту-134 (обшивка   и  стрингеры
                условно сняты, нервюры показаны только усиленные)

I — центроплан, II — средняя часть крыла, III — отъемная часть крыла/

 1 — бортовые нервюры, 2 — узлы навески закрылков, 3 — узлы
                  навески элерона,
4 — узлы крепления шасси

В стыке стреловидной части крыла с центропланом продольный набор имеет излом. Здесь изгибающий момент от стреловидной  части передается на центроплан в виде изгибающего и крутящего моментов. Для передачи последнего на обшивку предназначена бортовая усиленная нервюра. Усиленные нервюры установлены также в местах крепления шасси, закрылков и элеронов.

Все нервюры (и усиленные, и типовые) балочного типа установлены перпендикулярно заднему лонжерону крыла.

В рассмотренной конструкции широко применяется- химическое фрезерование обшивки крыла и стенок лонжеронов глубиной 1,5...2,2 мм. Это дает уменьшение массы при сохранении требуемой прочности обшивки вблизи заклепочных швов, где ее толщина не уменьшается.

Носовая и хвостовая части средних и отъемных частей крыла не входят в основную силовую схему балки крыла. Они воспринимают только местные аэродинамические нагрузки.

Крепление частей крыла между собой осуществляется болтами, установленными по замкнутому контуру кессона.

В настоящее время с целью уменьшения веса конструкции крыла начали широко использоваться неразъемные крылья. Типичным представителем подобного крыла является крыло самолета Як-42 (рис. 14.8).

Крыло самолета Як-42 - неразъемное, несъемное, стреловидное, большого удлинения. Оно состоит из центроплана и двух консолей.

Консоли выполнены с переменной относительной толщиной. Крепится крыло к 37 и 44 шпангоутам фюзеляжа по первому и второму лонжеронам с помощью фитингов из материала АК-6, титановых накладок (ВТ 2З) и титановых болтов.

Размах крыла - 34,88 м, площадь - 150 м2 , угол установки - 3°, поперечное V = 0°, стреловидность по линии 1/4 хорд - 25°.

Основой конструкции крыла являются двухлонжеронные кессоны. Центроплан и два кессона между первым и вторым лонжеронами от нервюры 1 до нервюры 12 являются герметичными топливными баками.

 Рис. 9.8. Схема крыла:

1 - предкрылки; 2 -вторая секция элерона; 3 - триммер; 4 - сервокомпенсатор; 5 - первая секция элерона; 6 - интерцептор; 7 - дефлектор концевой секции закрылка; 8- гаситель подъемной силы (спойлер); 9 - концевая секция закрылка; 10- дефлектор корневой секции закрылка; 11 - корневая секция закрылка 

 

Вспомогательная конструкция включает съемный носок, хвостовую часть и законцовки.

Для изменения  аэродинамических характеристик крыла на каждой консоли установлены следующие подвижные поверхности управления:

- однощелевой двухсекционный закрылок с дефлектором;

- двухсекционный элерон с сервокомпенсатором на первой секции и триммером на второй секции;

- спойлер и  интерцептор;

- шестисекционный предкрылок.

         В съемных носках крыла установлены трубопроводы
противообледенительной системы.

На нервюрах 1 и 5 имеются узлы крепления главной ноги шасси.

На нижней панели для обслуживания и ремонта топливных баков  (отсеков) выполнены съемные овальные люки-лазы.

Наряду с наиболее широко распространенным в современной авиации монопланным свободнонесущим крылом применяются также крылья с внешними (находящимися в потоке) силовыми элементами, участвующими в работе их на изгиб и кручение. Такие схемы в настоящее время бывают двух типов: биплан и подкосный моноплан. Применение их для легких нескоростных самолетов с небольшой удельной нагрузкой на крыло, имеющих неубирающееся шасси, обеспечивает уменьшение массы крыла и снижение стоимости самолета.

Бипланная коробка крыльев представляет собой пространственную ферму, нагруженную аэродинамическими и массовыми нагрузками.

Основная идея конструкции заключается в использовании большой строительной высоты бипланной коробки, характеризуемой отношением h/l. Если крылья свободнонесущих монопланов имеют h/l = с/l = 0,015...0,025, то для бипланов h/l = 0,14...0,2.

Еще одним преимуществом биплана по сравнению с монопланом является меньший размах крыльев, обеспечивающий меньшие габаритные размеры и меньший момент инерции относительно продольной оси самолета, т. е. лучшие маневренные свойства самолета.

Недостатком является большое лобовое сопротивление бипланной коробки, обусловленное взаимным влиянием верхнего и нижнего крыльев и наличием в потоке элементов фермы (стоек, расчалок) Кроме того, в эксплуатации бипланная схема требует частых проверок и регулирования положения крыльев.

     Рис. 14.9. Бипланная коробка крыльев полутораплана Ан-2 (показаны только
                    усиленные нервюры)

                         I — верхнее крыло,  II—нижнее крыло,  
        1 — поддерживающая  расчалка; 2 — несущие расчалки; 3 — стойка.

Бипланная коробка самолета полутораплана Ан-2 состоит из верхнего и нижнего крыла, несущих и поддерживающих лент-расчалок и стоек, которые соединяют крылья (рис. 14.9).

Каждое крыло представляет собой плоскую горизонтальную ферму, образованную двумя лонжеронами, усиленными нервюрами и внутренними расчалками. Крепление крыльев к фюзеляжу осуществляется при помощи шарнирных стыковых узлов, не передающих моменты в вертикальной плоскости. Все расчалки имеют предварительное натяжение, исключающее провисание их при перемене направления действующей в эксплуатации нагрузки. В полете с положительными перегрузками в лонжеронах крыла, представляющих собой балку на двух опорах, действуют сравнительно небольшие изгибающие моменты. Но в узлах крепления расчалок на лонжероны передаются значительные продольные сжимающие нагрузки.

Стойки полутораплана работают на сжатие, передавая нагрузки от одного крыла на другое. При этом несущие расчалки растянуты Поддерживающие расчалки нагружаются при отрицательных перегрузках и при стоянке самолета на земле

14.5. ТИПОВЫЕ  ЭЛЕМЕНТЫ  КОНСТРУКЦИИ КРЫЛА  И   
                  РАСЧЕТ  ИХ   НА  ПРОЧНОСТЬ

В настоящее время наиболее совершенным методом анализа напряжённо-деформированного состояния (НДС) конструкций является метод конечных элементов (МКЭ). В случае его использования конструкция моделируется системой взаимосвязанных элементов, для которых составляются три системы уравнений: уравнения равновесия, уравнения связи перемещений узлов элементов с действующими силами и уравнения совместности деформаций. Решением этих уравнений получают параметры НДС.

При расчете на прочность авиационных конструкций, основным видом которого является расчет разрушающих нагрузок, применяется метод редукционных коэффициентов, который учитывает различие механических характеристик и условий работы отдельных элементов.

14.5.1. Обшивка со стрингерным подкреплением

Проверка прочности обшивки производится при совместном действии напряжений σ и τ.

При расчете на эксплуатационную нагрузку Рэ редукционные коэффициенты φi = Еi/Еφ.

При расчете на Рр исходные коэффициенты φi = σразр/σразр.ф, где индексом "ф" обозначается фиктивный элемент. Это обычно основной элемент панели (пояс, стрингер), который рассматривается как идеально упругий.

Рис. 14.10, в иллюстрирует разницу между действительным σд и фиктивным σф напряжениями растяну-того элемента при определенном значении удлинения ε.

Рис 14.10. Напряжения  σ  в элементах сжатой панели до (а) и после (б) потери устойчивости, действительная (2) и фиктивная (1) диаграммы растяжения (в)

Для сжатых элементов 

σразр=σк,  (14.2)

а для растянутых

σразр=σв.            (14.3)

    

Здесь σкнормальные критические напряжения.  При достижении этих напряжений происходит потеря устойчивости элемента конструкции.

       Для расчета модели можно использовать также диаграммы σ-ε (рис. 14.11).

Расчет прочности растянутой обшивки ведется на действие Рр по условию

σрпривσразр,        (14.4)

где  σ = K·σв;

σприв =√σ2обш+4τ2;

K = 0,9 — коэффициент ослабления обшивки отверстиями.

Проверка прочности сжатой обшивки производится при действии Рэ и Рр.

Рис. 14.10 и 14.11 поясняют НДС сжатой панели и содержат механические характеристики ее элементов.

Рис. 14.11. Схематизированные диаграммы силовых
 элементов сжатой панели крыла

  1.  поясов; 2 – стрингеров; 3 - обшивки

Критические напряжения элементов панели следующие:

 (14.5)

Здесь критические напряжения σк.об и τк.об соответствуют раздельному действию σ и τ и определяются для участка между стрингерами и нервюрами, как для свободно опертой пластины.

При проверке прочности на Рр вводится характеристика τроб, а при проверке на Рэτэоб = τр/f.

Дюралюминиевая обшивка толщиной 1,5...2мм при обычном стрингерном подкреплении не должна терять устойчивость до нагрузки Рэ.

Условие   обеспечения   ее   прочности: σэоб  ≤ σк.обτэ.

Условие прочности такой обшивки при действии Рр соответствует требованию обеспечения устойчивости всей панели в целом (даже, если обшивка между стрингерами устойчивость потеряла): σробσк.ср τ.

Дюралюминиевая обшивка толщиной более 2мм не должна терять устойчивость до нагрузки Рр, так как при потере устойчивости она разрушается. Условие обеспечения прочности такой обшивки σробσк.об.τp.

Такое же требование предъявляется к прочности обшивки баков.

Стрингерное   подкрепление   обшивки   самое   распространенное.

Рациональность принятого сочетания стрингеров и обшивки можно оценить удельной прочностью панели подкрепленной обшивки при сжатии σк.пан/ρ.

Если панель состоит из т стрингеров, имеющих площадь fстp и шаг tстр. и обшивки шириной В = mtстp и толщиной δоб, то критическая сила панели равна

(14.6)

Редукционный коэффициент подкрепленной обшивки (относительно стрингеров)

  (14.7)

где 2с ≈ (25... 30) δоб — ширина участка обшивки, работающего совместно со стрингером, учитываемая при определении σк.стр при общей потере устойчивости.

Приведенная толщина обшивки со стрингерным подкреплением

  (14.8)

Очевидно, что максимальное значение критической нагрузки на панель Рк.пан получается при σк.об = σк.стр.  Выполнение этого условия определяется формой стрингера, соотношением их площади fстр, шага t и толщины обшивки.

Обычно    .      (14.9)

14.5.2. Двухпоясная балка

Приближенный расчет крыла, фюзеляжа, нервюр и других частей на изгиб основывается на принятии в качестве расчетной схемы модели двухпоясной балки, которая имеет наиболее выгодную в массовом отношении форму сечения балки (при работе на изгиб).

Расчет конструкции как двухпоясной балки значительно упрощает вычислительные операции.

Распределение напряжений в сечении двутавровой балки показано на рис. 14.12, а. Для ее модели — двухпоясной балки (рис. 14.12, б) площадь стенки

Fст = ст.    (14.9)

  Момент инерции сечения      (соб-ственными момен-тами инерции    поясов    и стенки пренебре гаем). Рис. 14.12 К расчету двутавровой балки                                        равен.                                                                                                                           

а -распределение нормальных и  касательных                                  J = FпH2/2. (14.10)

напряжений в сечении действительной балки;                                                                                  

б - двухпоясная балка. 

                                                                      

Усилие в поясе Р = Мизг /Н, а напряжение в нем равно

σ = P/Fn = Mизг /(Fn·H).   (14.11)

Здесь Н - рабочая высота, определяемая обычно как расстояние между ЦТ площадей сечений поясов. Чем больше разнесены пояса, чем они тоньше, тем их напряженное состояние ближе к чистому растяжению и сжатию.

При работе балки в упругой области напряжения в ней обусловлены удалением от нейтральной оси. Максимальное напряжение пояса σmах отличается от среднего σ = P/Fn вследствие отличия габаритной высоты балки Нгаб от Н.

Как следует из рис. 14.12 а,

   (14.12)

При работе пояса в пластической области распределение напряжений в нем можно считать равномерным.

Считая, что поперечная сила воспринимается только участком стенки с высотой Н в виде равномерно распределенных напряжений, получим

τ = Q/Fст    (14.13)

Непараллельность поясов.

 Рассмотрим влияние непараллельности поясов двухпоясной балки, характеризующейся углом  α,  на  усилия  в  элементах сечения (рис. 4.13, а).

 Обычно в  самолетных  конструкциях  этот  угол  мал отсюда               

r =  Н/α.    (14.14)

Рис. 14.13. Влияние непараллельности поясов двухпоясной балки на
                          распределение
Мизг и Q между ее элементами (а, б, в)

Усилия Q и Мизг действуют со стороны левой отсеченной части балки на рассматриваемую правую часть.

Для учета влияния непараллельности поясов на распределение Мизг и Q между элементами балки примем, как и для двухпоясной балки с параллельными поясами, что пояса могут воспринимать силы только вдоль своей оси, а стенка воспринимает силы, параллельные сечению.

Свойство стенки воспринимать только силы, параллельные сечению, можно пояснить на примере тонкой стенки из гофра с гребнями волн, параллельными сечению (рис. 14.13, б). Стенка не оказывает сопротивления силам, направленным вдоль оси балки.

В соответствии с данными допущениями поперечная сила и изгибающий момент распределяются между стенкой и поясами так, как показано на рис. 14.13, в.

 Поперечная сила Q передается непосредственно на стенку, а изгибающий момент Мизг передается в виде пары сил R и R'
(R' =Рв -Рн), которые распределяются в соответствии с возможностью конструкции воспринимать их.

Равнодействующая   сил   Рв   и   Рн,   воспринимаемых   верхним и нижним поясами должна проходить через точку О пересечения их осей. Это определяет  место  одной   из  сил   пары   (R'), другая  сила   (R)   должна лежать в плоскости сечения:

   (14.15)

Силу R, приложенную в плоскости стенки, объединим с силой Q. Полученную в результате суммирования силу можно назвать приведенной поперечной силой (в отличие от поперечной силы, взятой из расчета поперечных сил или из эпюры Qэп):

α.  (14.16)

Сила R', приложенная в точке О, вызовет только продольные усилия в поясах. Значения их можно найти из треугольника равновесия сил Рв, Рн и R'. Учитывая небольшую величину угла α,

   (14.17)

Следовательно, усилия в данном случае приближенно выражаются той же формулой, что и для балки с параллельными поясами.

         Балка с тонкой стенкой

Тонкая стенка, после потери  устойчивости при действии напряжений τ, может выдержать дальнейшее повышение нагрузки, если она опирается на стержневой контур, жесткий на изгиб в плоскости стенки.

Потеряв устойчивость при напряжениях τ, стенка продолжает работать на сдвиг, принимая касательные напряжения τк и дополнительно работая на растяжение в направлении образовавшихся при этом гребней волн, воспринимая нагрузку, соответствующую τ - τк.

Если стенка очень тонкая, то τк ≈ 0. Растягивающие напряжения,  направленные под углом  α ≈ 45°  к оси  балки   (рис   14.14, а),

αст = 2τ,    (14.18)

где τ = q/δ — номинальные напряжения от погонной касательной силы q в стенке; δ — толщина стенки.

Рис. 14.14.   Особые случаи нагружения элементов двухпоясной балки

             а — напряженное состояние после потери устойчивости стенки при сдвиге;
             б — действие радиальных сил при изгибе,
1 — пояс, 2 — стойка.

В поясах и стойках в этом случае возникают дополнительные сжимающие усилия S и N. Кроме того, на пояса и крайние стойки действуют дополнительные поперечные нагрузки qn и qc, вызывающие их изгиб.

Используя работоспособность стенки после потери устойчивости при сдвиге, можно было бы сделать ее несколько легче. Однако в этом случае сильно снизилась бы жесткость стенки, и пришлось бы дополнительно усиливать пояса и стойки. Поэтому для тонких стенок (1...1,5 мм) допускается потеря устойчивости лишь при нагрузках больше эксплуатационных (Р > Рэ).

Потеря устойчивости более толстых стенок и стенок баков-отсеков не допускается до расчетной разрушающей нагрузки Рр, так как при этом возможны отрыв головок заклепок и разрушение стенки от разрыва напряжениями σст и нарушение герметичности баков-отсеков. Необходимые критические касательные напряжения в стенке τк обеспечиваются за счет ее толщины и выбора шага стоек.

Радиальные силы

При изгибе балки в ней возникают радиальные силы, стремящиеся  сблизить  пояса.   Этому  сближению   препятствуют   стойки.

Рассмотрим равновесие изогнутого отсека балки III (рис. 14.14,б).

Действующие в поясах отсека усилия Р при наличии кривизны балки вызывают радиальные силы R, воспринимаемые стойками.

Из условия равновесия

При   малом   значении   угла β 

но тогда                                                (14.19)

          Обычно деформация балки при изгибе 1/ρ = Mизг/(EJ) незначительна, поэтому ρ велико, а радиальная сила R в стойке мала и ее можно не учитывать.

Однако, если стенка теряет устойчивость от касательных напряжений и стойка нагружается еще силой N, совместное действие сил N и R необходимо учитывать и проверять стойку на продольный изгиб.

Если балка сделана специально криволинейной (например, балка подвески двигателей, шпангоут фюзеляжа), то на участках ее наибольшей кривизны радиальные силы R значительны. На этих участках необходимо ставить стойки большого сечения и с малым шагом.

При действии Мизг, который уменьшает начальную кривизну балки, силы R растягивают стойки.

14.5.3. Продольный набор и обшивка

Рассмотрим назначение, конструкцию, работу продольного набора и обшивки — основных элементов, обеспечивающих прочность крыла и составляющих основную долю его массы.

Основными материалами для них являются алюминиевые сплавы, легированные стали,  титановые сплавы,  композитные  материалы.

Лонжероны

Лонжерон — продольная балка или ферма, способная самостоятельно работать на изгиб и сдвиг в своей плоскости.

Число и расположение лонжеронов по хорде крыла зависят от размеров самолета и компоновочных особенностей  крыла.

Лонжерон называется балочным, если для восприятия поперечной силы служит стенка, и ферменным, если для этой цели применяется решетка фермы, связывающая, как и стенка, пояса (полки).

В  конструкциях современных крыльев обычно применяются балочные лонжероны.

Общий вид балочного лонжерона с двутавровым сечением показан на рис. 14.15, а.

Рис  14.15.   Балочный лонжерон с двутавровым сечением

а — общий вид; б — схема нагружения элементов; вк — виды  сечений;
 
1— пояс   2 — стенка   3 — стойка

На рис. 14.15, в...к показаны возможные
сечения балочного лонжерона.

Двухпоясная схема лонжерона обеспечивает наиболее эффективное использование материала поясов и стенок.

Пояса лонжерона работают на растяжение и сжатие от изгибающего момента, стенка — на сдвиг от поперечной силы (рис. 14.15,б).

Пояса лонжеронов должны отвечать следующим специальным требованиям:

- удобство соединения с обшивкой и стенкой;

- максимальное использование строительной габаритной высоты лонжерона как строительной высоты двухпоясной балки;

- минимальные потери площади сечения на отверстия под заклепки и болты

Обычно для поясов используются дюралюминий и хромансиль. В новых конструкциях применяются также высокопрочные композитные материалы.

Выполнение требований удобства соединения с обшивкой и стенкой и максимального использования высоты наиболее просто обеспечивается применением уголковых и тавровых сечений поясов (см. рис. 14.15, в, г, д).

При необходимости усилить пояс к уголкам приклепывают полосу
(см. рис. 14.15,
е). Такая конструкция технологически проста, позволяет фрезеровать полосы, подгоняя форму их поперечного сечения под профиль крыла (см. рис. 14.15, ж), и изменять площадь сечения пояса по длине вплоть до перехода на один уголок в конце лонжерона

Дальнейшее совершенствование конструкции пояса привело к созданию профилированного сечения с лапками для крепления обшивки и стенки (см. рис. 14.15, з). Такой пояс полностью отвечает всем трем специальным требованиям. Выполняется он обычно из дюралюминиевого прессового профиля, который для сохранения условий равнопрочности пояса по длине лонжерона подвергается механической обработке.

Стенка лонжерона имеет постоянную толщину, так как касательные усилия в сечении стенки по высоте почти постоянны.

При постоянной хорде крыла или центроплана возможно использование цельнокатаных лонжеронов со стенкой, выполненной как единое целое с поясами (рис. 14.15, к). Достоинством таких лонжеронов по сравнению с клепаными лонжеронами являются меньшая масса и большая усталостная долговечность.

Соединяется стенка с поясами сборного лонжерона большей частью заклепками, но иногда и болтами

Стойки изготавливаются из прессованных дюралюминиевых профилей,  (уголков), и крепятся заклепками к стенке и поясам лонжеронов (рис 14.16, а)

Рис. 14.16. Схема передачи нагрузки от нервюры на стенку лонжерона (а) и схема
                   нагружения стойки (б)

 1 - лонжерон, 2- стойка, 3 - центральная часть нервюры, 4 - носовая часть нервюры.

Условия работы балки лонжерона определяют назначение стоек:

- уменьшение свободного участка стенки для повышений ее критического напряжения при сдвиге τк;

- противодействие сближению поясов лонжерона при потере
устойчивости стенки от касательных напряжений   (действие сил  
N)   и при действии радиальных сил R от изгиба лонжерона;

- крепление нервюр к лонжерону — передача сил ΔQ от нервюр на лонжерон.

Каждый пояс необходимо проверить на прочность при растяжении и сжатии с максимальными нагрузками, действующими на него в конкретном случае нагружения.

Проверка прочности стенки зависит от толщины стенки и требований, предъявляемых к ней.

Для тонких стенок (δст ≤ 1,5 мм), у которых допускается потеря устойчивости при Р Рэ, условия прочности следующие: при Рэ  касательное напряжение τэτк; при Рр   τр τразр.

Для толстых стенок (δст > 1,5 мм) и стенок баков-отсеков, у которых потеря устойчивости не допустима до Р = Рр, условие прочности имеет вид
τрτк.

Стойка нагружается самоуравновешенными сжимающими силами R   (радиальными)   и   N   (если  стенка  теряет  устойчивость от  τ).

Если стойка используется для крепления нервюры к стенке, она также нагружается вдоль своей оси силами ΔQ, которые передаются через соединительные элементы от участков нервюр (рис. 14.16,б).

Сжимающая сила для расчета на прочность стойки равна

Nст = R + N + ΔQ,   (14.20)

где                                ΔQ = ΔQнос + ΔQцентр.

Сила Nст определяется для расчетных случаев нагружения. В этом случае условие прочности имеет вид

σр = nрст/Fст σк.

Шаг стоек tст определяется как размещением нервюр, так и условием обеспечения требуемого значения τк стенки. Обычно tст = 10...20 см

(шаг нервюр 35...100 см). При уменьшении шага стоек повышается τк стенки без увеличения ее толщины.

Стрингеры

Схема нагружения стрингеров (и обшивки) силами поперечной воздушной нагрузки и нормальными напряжениями от Мизг показана на
рис. 14.17. Если обшивка менее жесткая на изгиб, чем стрингеры, то часть воздушной нагрузки передается с  участков
I обшивки на стрингеры и с них на нервюры, а часть с участков II обшивки непосредственно на нервюры.

На рис. 14.17,в показаны также погонные касательные силы, передаваемые на стрингер от обшивки через связывающее их заклепочное или клеевое соединение.

Эти касательные силы ΔqQ обусловлены изменением Мизг по размаху крыла z, характеризуемым Q = dMuзг/dz

Рис. 14.17 Схемы передачи воздушной нагрузки на обшивку (а), передачи нагрузки с
                участков обшивки (б) и нагружения стрингера

                 2, 5 — нервюры, 3,4 — стрингеры.

Если площадь сечения стрингера f, a  — изменение напряжения σ в стрингере на расстоянии dz, то

 (14.21)

Значение ΔqQ определяется разностью погонных касательных сил в обшивке по сторонам стрингера.

Изготавливаются стрингеры из дюралюминиевых прессованных и гнутых профилей.

Формы поперечного сечения стрингеров очень разнообразны
(рис. 14.18,
а...и).

 Форма сечения стрингера определяется критическими напряжениями общей и местной потери устойчивости, удобствами соединения с обшивкой и нервюрами и другими факторами.

При большом шаге нервюр стрингер выпучивается по нормали к обшивке и, как правило, внутрь крыла.

Для увеличения критического напряжения σк0 местной потери устойчивости необходимо подкрепить свободный край участка профиля, теряющего устойчивость. Это достигается местным утолщением свободного края — бульбами (см. рис. 14.18, б, е) или отгибами свободного края
(см. рис. 14.18, г).

Рис 14.18. Возможные сечения прессованных стрингеров (а…и), график
τк профиля (к), стрингер и присоединенная ширина обшивки (л)

Для повышения критического напряжения σк общей потери устойчивости профиля, его изгибной жесткости и изгибной жесткости панели в целом увеличивают часть сечения профиля, удаленную от обшивки (см, рис. 14.18, д..м). Так как это усиление поддерживает вертикальную стенку профиля, то повышается и σк0 этих профилей. Такие более массивные профили применяются в кессонах крыльев средних и тяжелых самолетов.

Профили, приведенные на рис. 14.18, з, и, при соединении с обшивкой образуют замкнутый контур, что повышает σк стрингера. Однако в этом   случае   в   закрытой   полости   может   развиться коррозия.

Стрингеры с уголковым, тавровым и зетобразным (см. рис. 14.18, а... г) сечениями наиболее удобны и просты для соединения их с обшивкой и нервюрами.

Гнутые стрингеры выполняются из листового материала небольшой толщины.

Критическое напряжение стрингера, необходимое при проверке прочности, определяется обычно по экспериментальным графикам
σк.стр = f(l)  учетом отношения b/δ (l — расстояние между нервюрами — шаг нервюр).

В справочной литературе приводятся графики σк для профилей авиационного сортамента (рис. 14.18, к), построенные по испытаниям приторцованных стержней.

В современных конструкциях крыльев расстояния между нервюрами и

размеры стрингеров (радиус инерции сечения
 ) таковы, что гибкость стрингеров l/i невелика и их разрушение происходит в результате местной потери устойчивости.

Поддерживающее действие обшивки при общей потере устойчивости   можно  учесть  определением   σк.стр  для   сечения   стрингера вместе с присоединенной  шириной   (2 с)   обшивки   (рис. 14.18, л).

Обшивка

Для обшивки применяется дюралюминий (в основном Д16), а для сильно нагревающихся частей - титановые сплавы (ВТ20 для сверхзвуковых самолетов и участков обшивки в зоне реактивной струи двигателя). С этой целью в настоящее время также все чаще используют  композитные материалы.

Для повышения антикоррозийной стойкости применяются анодированные листы обшивки из алюминиевых сплавов и лакокрасочные покрытия.

Участок сравнительно толстой и подкрепленной стрингерами металлической обшивки между двумя соседними нервюрами и лонжеронами  можно рассматривать как достаточно жесткую  плиту, в которой напряжения поперечного изгиба от воздушной нагрузки незначительны.

Обшивка современного крыла  является частью оболочки, которая воспринимает крутящий момент Мкр. Следовательно, она подвергается одновременному действию нормальных и касательных напряжений от Мизг и Мкр.

До тех пор пока сжатая обшивка не теряет устойчивости, напряжение от Мизг в ней такое же, как в стрингерах (если Еобщ = Естр).

Обычно обшивка теряет устойчивость раньше, чем стрингеры.

После потери устойчивости обшивки напряжение в ней распределяется неравномерно: в непосредственной близости от стрингеров оно равно напряжению стрингера, а в середине пролета — критическому напряжению обшивки σк общ.

Металлическая обшивка, толщина которой достигает у корня крыла тяжелых самолетов 12...18 мм, выполняется из листов. К концу крыла в целях уменьшения его массы толщина обшивки должна постепенно уменьшаться с сохранением равнопрочности. Достигается это использованием листов различной толщины или механическим и химическим фрезерованием их с оставлением утолщений в местах крепления.

Раскрой обшивки осуществляется так, чтобы ее продольные стыки проходили по поясам лонжеронов и по стрингерам (рис. 14.19, а... г).

Широкое распространение получили монолитные панели, в которых обшивка и стрингеры составляют единое целое (рис. 14.19, з). Достоинством монолитных панелей по сравнению с клепаными панелями является уменьшение числа соединяемых деталей. Это ведет к уменьшению массы, повышению качества поверхности, упрощению герметизации топливных отсеков в крыле. Вместе с тем для изготовления монолитных панелей необходимо сложное высокоточное  оборудование.

Соединение листов металлической обшивки между собой, а также со стрингерами и нервюрами осуществляется заклепками; такое соединение является наиболее надежным. На менее нагруженных участках крыла используются клеевые или клеесварные соединения обшивки со стрингерами и нервюрами. Клеевые соединения снижают концентрацию напряжений, что увеличивает усталостную долговечность конструкций.

Поперечные швы соединения листов нагружены сильнее, чем продольные, поэтому их должно быть как можно меньше и проходить они должны по поясам нервюр или по стыковым лентам.

При малой толщине обшивки допускается соединение внахлестку с подсечкой (рис.  14.19,  д...ж).

Для   уменьшения   числа   поперечных стыков монолитных панелей длина их берется максимально возможная по условиям производства.

Несмотря на то, что продольные стыки утяжеляют крыло, они в ряде случаев оказываются необходимыми для обеспечения его живучести, так как продольные стыки обшивки препятствуют прохождению поперек них усталостных трещин.

 

Рис. 9.19.   Продольные   (а, б, в, г), Поперечные  (д, е, ж)  стыки обшивки и
                      монолитная панель (з)

1,2- пояса лонжеронов, 3 - стрингер, 4- пояс нервюры, 5 - стыковая лента

Проверка прочности обшивки со стрингерным подкреплением производится при совместном действии σ и τ  как на растяжение, так и на сжатие (в соответствии со случаями нагружения).

Более толстая обшивка препятствует потере устойчивости
стрингерами, т.е. повышает
σк.стр. Тонкая обшивка, теряя устойчивость, способствует потере устойчивости стрингера, т. е. понижает τк.стр.

Трехслойная обшивка состоит из двух внешних слоев — несущих и внутреннего легкого связующего и поддерживающего слоя заполнителя
(рис. 14.20,
а).

Несущие слои изготавливаются из тонких листов алюминиевых и титановых сплавов, стали, стекло- или углепластиков.

В качестве заполнителя могут использоваться пористые материалы (пенопласты) с плотностью 50...100 кг/м3, но чаще применяются более легкие сотовые заполнители из металлической фольги толщиной 0,05...0,2 мм или пластиков. С несущими  слоями  заполнитель соединяется  склеиванием  или  пайкой.

Напряжения σ и τ, действующие в поперечном сечении обшивки от Мизг, Q, Мкрут, воспринимаются несущими слоями. Заполнитель,   обладая   определенной   жесткостью   в   направлении, перпендикулярном к обшивке, и при сдвиге, обеспечивает совместную работу несущих слоев при изгибе обшивки. За счет этого изгибная жесткость, σк и τк трехслойной обшивки значительно выше, чем однослойной, поэтому она не нуждается в стрингерном подкреплении и часто установленных нервюрах. Крыло с такой обшивкой легче крыла, имеющего однослойную обшивку с подкрепляющим стрингерным набором.

Рис 14.20 Трехслойная обшивка 

а - конструкция панелей, б - окантовка торца панели, в - стык панелей, г, д. е - крепление деталей к трехслойным панелям

1 - несущий слой, 2 - пористый заполнитель (пенопласт), 3 - сотовый заполнитель, 4 - сое-динительная вставка, 5 - пробка (втулка),
6 - ячейки заполнителя, залитые смолой,
7 - обжатый заполнитель

Жесткость трехслойной обшивки и отсутствие заклепочных швов обеспе-чивают высокое качество поверхности крыла, т. е. уменьшение аэродинамичес-кого сопротивления самолета. Достоинствами трехслойной обшивки также являются повышенные усталостная прочность и вибростойкость, герметич-ность и коррозионная стойкость.

Небольшое число и однотипность составных деталей снижает трудоемкость сборки трехслойных панелей.

Недостатками трехслойной обшивки являются сложность ее ремонта и усложнение соединения участков обшивки между собой и с другими элементами конструкции крыла, так как необходимо обеспечить соединение не только несущих слоев, но и заполнителя (рис. 9.14, бе).

14.5.4. Нервюры

Нервюры — это поперечные силовые элементы крыла.

Нервюры прямого крыла, а также стреловидного и треугольного крыльев малого удлинения устанавливаются по потоку и, следовательно, под прямым углом к лонжерону, расположенному перпендикулярно оси самолета.

В стреловидной части крыла большого удлинения на участках, удаленных от конца и корня крыла, нервюры для уменьшения их длины устанавливаются обычно перпендикулярно одному из лонжеронов; по потоку располагаются только концевая нервюра и нервюры центроплана.

По своему назначению и конструктивному оформлению нервюры подразделяются на нормальные и усиленные (силовые). Изготавливают нервюры в основном из алюминиевых сплавов, хромансиля (усиленные нервюры).

Нормальные нервюры служат для сохранения заданной формы профиля крыла, и передачи воздушной нагрузки с прилегающего к нервюре участка обшивки на балку крыла. Кроме того, нервюры, подкрепляя обшивку и стрингеры, повышают их критические напряжения.

Обычно шаг нервюр tн = 350...1000 мм. В крыле моноблочной силовой схемы шаг нервюр больше, чем в лонжеронной. Нервюры, подобно стойкам лонжерона, сопротивляются сплющиванию крыла (сближению сжатой и растянутой панелей) при изгибе и нагружаются при этом радиальными силами от стрингеров и присоединенной к ним обшивки. Однако эти силы значительны только там, где плоскость хорд имеет перелом (при изменении угла поперечного V)

Следует отметить, что если обшивка вместе с лонжеронами представляет собой оболочку, обладающую большой собственной (рамной) жесткостью в плоскости поперечного сечения, то роль нормальных нервюр снижается, так как значительная часть воздушной нагрузки передается с обшивки непосредственно на лонжероны, минуя их.

Усиленные нервюры выполняют те же функции, что и нормальные, но главным их назначением является передача на балку крыла нагрузок, действующих от агрегатов, установленных на крыле (двигатели, шасси, механизация и др.), или перераспределение внутренних сил между участками и элементами крыла. Это определяет места расстановки усиленных нервюр.

Конструкция и работа нервюр

Воздушные нагрузки, передаваемые от обшивки на нервюру, и нагрузки, приложенные к усиленной нервюре и действующие в ее плоскости, стремятся сдвинуть (по вертикали) и повернуть её относительно балки крыла.

Нервюра уравновешивается силами, действующими на нее со стороны стенок и обшивки через соединительные элементы (рис. 14.21).

Рис   14.21. Схема уравновешивания нервюры

Воздушные нагрузки передаются на нервюру в виде сил, нормальных к поверхности обшивки; при этом обшивка, нагруженная разрежением, заставляет работать на растяжение заклепки, крепящие ее к полке нервюры.

Все нагрузки, действующие на нервюру, образуют силу и момент, вызывающие сдвиг и поворот ее за счет деформаций обшивки, стенок и соединительных элементов. Пренебрегая податливостью последних, за центр поворота можно принять центр жесткости того сечения балки крыла, около которого установлена нервюра.

Уравновешивающие нервюру реакции обшивки и стенок действуют по направлению их наибольшей жесткости, т. е. по касательным к контуру кессона. При этом заклепки, соединяющие нервюру с обшивкой и стенками, работают на срез.

Балочные нервюры наиболее распространены. Они более жесткие, их конструкция легче и более технологична по сравнению с ферменной.

Примеры конструкций нормальных и усиленных балочных нервюр представлены на рис. 14.22.

Как правило, нервюры состоят из трех частей: носовой, средней (межлонжеронной) и хвостовой. Простота конструкции балочных нервюр объясняется тем, что многие их части изготавливаются штамповкой из листового материала.

Рис. 14.22. Конструкции нормальных и усиленных нервюр

а — балочная штампованная; б — балочная с поясами на межлонжеронной части;
в — балочная усиленная; г — рамная (поясная); д — монолитная усиленная..

1 — стрингер, 2 — зиг, 3, 5, 7 — пояса нервюры, 4,8 — компенсаторы, 6 — стенка нервюры, 9 — площадка для крепления обшивки

Нормальная нервюра соединяется с обшивкой посредством отбортовок, получаемых при штамповке (см. рис. 14.22, а). Так как в нервюре снизу и сверху делаются вырезы под стрингеры, то роль поясов в ней выполняет обшивка. Если этого недостаточно из-за малой толщины обшивки, то к стенке нервюры приклепываются пояса обычно с уголковым сечением.

Часто по условиям крепления толщина стенки нервюры берется большей, чем это требуется из условий прочности. Тогда для облегчения в ней выштамповывают отверстия с отбортовкой. Отбортовки по контуру отверстий, а также зиги (см. рис. 14.22, б) увеличивают жесткость стенок нервюр.

Соединение обшивки с нервюрой в ряде случаев производится при помощи так называемых компенсаторов (см. рис. 14.22, в и рис. 14.23), что позволяет более точно выдерживать заданную форму профиля крыла. Иногда в целях улучшения поверхности или уменьшения объема клепальных работ обшивка крепится только к стрингерам (см. рис. 14.22, б и рис. 14.23, г, д), а стрингеры крепятся к нервюре непосредственно или через компенсаторы.

В таких конструкциях передача на нервюру воздушных нагрузок
(по нормали к контуру обшивки) и реакций при уравновешивании нервюры (по касательной к контуру обшивки) происходит через стрингеры и компенсаторы.

Рис. 14. 23. Крепление обшивки (а, б), стрингеров (г, д), монолитной панели (в) к
                    нервюрам и крепление усиленной нервюры к лонжерону
(е)

1 - стенка нервюры, 2 - зиг, 3 - обшивка, 4 - отбортовка, 5 - стрингер, 6 - компенсатор,
7 - пояс нервюры,
8 - монолитная панель, 9 - фитинг, 10 - пояс лонжерона, 11 - стенка лонжерона, 12 – стойка.

К стенкам лонжеронов нервюры крепятся посредством стоек
(см. рис. 14.16).

Усиленные балочные нервюры имеют более мощные пояса, стенки и стойки (см. рис. 14.22, в).

Нагрузки, действующие на усиленные нервюры, создают в их сечениях большие изгибающие моменты и поперечные силы. Это требует усиления креплений их к лонжерону (см. рис. 14.23, е).

В местах крепления к крылу шасси, двигателей и соединения крыла с фюзеляжем применяются монолитные цельноштампованные усиленные нервюры (см. рис. 14.22, д).

Рамные (поясные) нервюры применяются как нормальные нервюры в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки, например в местах размещения топливных баков в крыле (см. рис. 14.22, г).

Так как пояса рамной нервюры разделены, то каждый работает на изгиб, как балка малой высоты. На верхний пояс нервюры передается воздушная нагрузка от верхней обшивки, а на нижний — от нижней обшивки. Обычная же балочная нервюра работает как балка с полной строительной высотой подобно лонжерону (рис. 9.24). Поэтому масса рамной нервюры получается больше, чем балочной.

Ферменные нервюры применяются главным образом в конструкциях крыльев легких самолетов с полотняной обшивкой.

Расчет нервюр на прочность

Основной для расчета нормальной нервюры является воздушная наг-рузка, передающаяся с полосы крыла шириной, равной шагу нервюр tH.

Рис. 14.24. Схемы нагружения, уравновешивания и эпюры Q и Мнзг нормальной
                   нервюры

 Равнодействующая воздушной нагрузки на нервюру

   (14.22)

где    qyв—значение    погонной    воздушной    нагрузки    (распределенной по крылу) у рассматриваемой нервюры.

При расчете усиленных нервюр воздушная нагрузка учитывается так же, как для нормальных. Но основными для них являются те нагрузки, для восприятия которых они специально поставлены: от узлов крепления (шасси, двигателей) или от силовых элементов крыла Нагрузки определяются с учетом того, как опираются эти конструкции на рассчитываемую нервюру.

При расчете нервюр нагрузка их массовыми силами собственной конструкции обычно не учитывается.                                        

Схема уравновешивания усиленной нервюры и передачи сил от нервюры на балку крыла показана на рис. 14.21.

Последовательность расчета является общей для нормальных и усиленных нервюр. Разберем ее на примере нормальной нервюры, на  которую действует  воздушная  нагрузка  ΔYН   (см.  рис.  14.24).

Все три участка нервюры соединены между собой, и она рассматривается как балка, опирающаяся по контуру на обшивку и стенки лонжеронов.

Нагрузка на нервюру рассматривается в виде силы ΔQ = ΔYН, приложенной в центре жесткости сечения балки крыла в том месте, где стоит нервюра, и вращающей ее относительно центра жесткости момента ΔМкрут. Сила ΔQ и момент ΔМкрут = ΔYна представляют собой добавки к поперечной силе и крутящему моменту крыла, создаваемые нервюрой.

Уравновешивающие нервюру реактивные потоки касательных сил
(см. рис. 14.24) определяются по формулам

.  (14.23)

где ΔQ, — нагрузка на стенку i-го лонжерона от силы ΔQ; Ji, — момент инерции i-го лонжерона; FK — суммарная площадь контуров носовой и межлонжеронной частей сечения.

Поток ΔqМкрут в стенке переднего лонжерона и обшивке хвостовой части сечения приближенно принимается равным нулю.

Для построения эпюр Q и Мизг нервюры нагружаем ее нагрузкой qH от ΔYН, распределенной в соответствии с диаграммой распределения давления по хорде крыла.

Примерный вид эпюр Q и Мизг от qH и реакций касательных сил приведен на рис. 14.24.

По значениям Q и Мизг проверяются на прочность стенка и пояса нервюры так же, как соответствующие элементы лонжерона.

ВОПРОСЫ

  1. Какие элементы крыла являются силовыми?
  2. Что называется кессоном крыла?
  3. Опишите путь сил в силовой схеме  крыла.
  4. Опишите работу различных элементов крыла (лонжерон, стрингера, нервюр и обшивки)
  5. Сформулируйте назначение обшивки, лонжеронов, стрингеров, нервюр и соединений.
  6. Опишите  распределение усилий в сечении крыла.
  7. Опишите типовые силовые схемы крыла. Укажите особенности предельных силовых схем крыльев: лонжеронной и моноблочной.
  8. Опишите конструкции крыльев современных самолетов (на примере самолета Як-42).
  9. Опишите особенности бипланной схемы крыла.
  10.  Опишите работу и расчет на прочность обшивки со стрингерным подкреплением.
  11. Опишите работу и расчет на прочность двухпоясной балки.
  12. Опишите работу и расчет на прочность балки с тонкой стенкой.
  13. Опишите работу и расчет на прочность продольного набора и обшивки.
  14. Опишите работу и расчет на прочность лонжеронов крыла.

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23240. Сковорода, Григорій Савич 152.5 KB
  Навпаки саме при падінні аристократичних оцінок людської совісті поступово нав'язується весь цей контраст €œегоїстичного€ і €œнеегоїстичного€ – цей по моїй термінології стадний інстинкт котрий дістав тоді розповсюдження. Поняття €œдобро€ він вважає по суті рівним поняттю €œкорисний€ €œдоцільний€ так що в думках €œдобро€ і €œзло€ людство ніби то підсумовує і санкціонує саме незабуті і незабутні пізнання про корисне – доцільне і шкідливе – недоцільне. Добро згідно цієї теорії – те що споконвіку виявилося корисним тому воно...
23241. Кримський, Сергій Борисович. ФІЛОСОФІЯ - АВАНТЮРА ДУХУ ЧИ ЛІТУРГІЯ СМИСЛУ 192.5 KB
  Кримський розробляє принципи трансформації знання прийоми інтерпретації принципи узагальненої раціональності та розуміння принципи духовності розвиває неоплатонічну концепцію вилучення архетипових структур буття розуму та культури; виділяє архетипи української культури. ФІЛОСОФІЯ АВАНТЮРА ДУХУ ЧИ ЛІТУРГІЯ СМИСЛУ Видатний мислитель пізньоантичної епохи Плотін стверджуючи прилученність мудрості до центральних зон смислотворчості буття та людини проголошував що філософія є найголовнішим у житті. Вона є єдиним засобом поставити людину...
23242. Фоєрбах, Людвіг. РАГМЕНТИ ДО ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЄЇ ФІЛОСОФСЬКОЇ БІОГРАФІЇ 85.5 KB
  Головним завданням своєї філософії Фоєрбах вважав відповідь на питання – якою є справжня природа людини як визначити її шлях до щастя Для розкриття природи людини застосовує поняття любові. Подальший прогрес людства Фоєрбах вбачав в утвердженні нової філософії – релігії що культивуватиме любов людини до людини як до Бога. Але чи не слід би саму релігію зрозуміти у більш загальному смислі А порозуміння з філософією чи не повинно полягати лише у визнанні та виправданні певних вчень Чи немає якогось іншого виду порозуміння ________ Яке ж...