Подбор элементов силового набора

Конструктивно-силовые схемы и проектировочный расчет фюзеляжей

По конструктивно-силовой схеме фюзеляжи можно разделить на ферменные, балочные и смешанные (ферменно-балочные).

Ферменные фюзеляжи

Ферменный фюзеляж (рис.) представляет собой пространственную ферму, состоящую из четырех плоских форм (двух вертикальных и двух горизонтальных), связанных между собой поперечным набором.

Рис. Ферменный фюзеляж:

1 – пояс; 2 – стойка; 3 – раскос; 4 – расчалка; 5 – профилирующий шпангоут; 6 – стрингер

Иногда фюзеляжи состоят из трех плоских ферм.

Каждая плоская ферма состоит из поясов, общих для двух смежных ферм, стоек и раскосов. Раскос может быть заменен крестом расчалок.

Поперечный набор состоит из диагональных пространственных стержней, которые могут быть заменены крестом расчалок.

Такая пространственная ферма воспринимает все действующие на фюзеляж нагрузки. В стержнях возникаю при этом осевые усилия растяжения или сжатия.

Для придания фюзеляжу обтекаемой формы на фермы ставятся профилирующие шпангоуты, к которым крепятся стрингеры. Каркас фюзеляжа закрывается обшивкой. Стрингеры и профилирующие шпангоуты выполняются из элементов, имеющих малую площадь сечения, так как они воспринимают лишь местные аэродинамические нагрузки с обшивки и передают их на ферму, не принимая участия в работе фюзеляжа на изгиб и кручение. Обшивка ферменного фюзеляжа также не принимает участия в силовой работе.

Широкое распространение получили сварные ферменные фюзеляжи, выполненные из труб. Такие фюзеляжи рациональны в весовом отношении, так как трубчатые стержни хорошо работают на продольный изгиб, а сварные узлы очень мало увеличивают массу конструкции. Крупным недостатком сварного фюзеляжа является необходимость термообработки фермы после сварки, а затем правки ее.

Ферменные фюзеляжи, у которых стержни в узлах соединяются при помощи болтов и заклепок, не нашли применения, так как они в весовом отношении уступают сварным фюзеляжам из труб.

Ферменные фюзеляжи целесообразно делать для нескоростных легких самолетов, на которых может быть применена полотняная обшивка, В этом случае ферменный фюзеляж может иметь меньшую массу, чем балочный.

· Постановка же профилирующих шпангоутов, стрингеров и металлической обшивки, обеспечивающих получение хороших аэродинамических форм фюзеляжа и качественной поверхности, но не участвующих в его силовой работе, приводит к значительному утяжелению конструкции. Кроме того,

· наличие элементов поперечной жесткости (диагональных стержней или расчалок) затрудняет использованиевнутреннего объема фюзеляжа.

· Живучесть ферменных фюзеляжей ниже балочных, так как иногда поломка даже одного, а тем более нескольких стержней может привести к общему разрушению.

По этим причинам ферменные фюзеляжи не применяются на современных скоростных самолетах.

Балочные фюзеляжи

Стремление придать фюзеляжу хорошие аэродинамические формы, получить высокое качество поверхности, создать при малой массе прочную и жесткую конструкцию, которая обладала бы высокой живучестью и позволяла бы полностью использовать внутренние объемы, привело к широкому распространению балочных фюзеляжей.

Конструкция балочного фюзеляжа (рис.) состоит из жесткой обшивки, продольного набора (лонжеронов и стрингеров) и поперечного набора – шпангоутов.

Рис. Конструктивно-силовые схемы балочного фюзеляжа:

а – стрингерный; б – лонжеронный; в – бесстрингерный (монокок); 1 – шпангоут; 2 – стрингер; 3 – лонжерон (стрингер усиленный); 4 – толстая обшивка

Рис. Конструктивно-силовые схемы балочного фюзеляжа:

а – стрингерный; б – лонжеронный; в – бесстрингерный (полумонокок); 1 – стрингеры; 2 – шпангоут; 3 – обшивка; 4 – лонжерон

Лонжеронами называются мощные элементы продольного набора, воспринимающие практически весь изгибающий момент фюзеляжа.

Стрингеры служат для подкрепления обшивки и воспринимают совместно с ней изгибающий момент.

Шпангоуты обеспечивают сохранение заданной Фомы поперечных сечений фюзеляжа, подкрепляя обшивку и стрингерный набор, и воспринимают местную аэродинамическую нагрузку и нагрузки от прикрепленных к ним агрегатов.

Обшивка фюзеляжа образует его поверхность, передает аэродинамические нагрузки на каркас и участвует в работе фюзеляжа на изгиб и кручение.

Все балочные фюзеляжи в зависимости от степени участия в силовой работе отдельных элементов можно подразделить на лонжеронные и стрингерные (фюзеляжи типа полумонокок) и бесстрингерные (фюзеляжи типа монокок).

Задачей проектировочного расчета фюзеляжа является приближенное определение нагрузок, действующих в его силовых элементах, и подбор их сечений.

Лонжеронный фюзеляж

Продольный набор лонжеронного фюзеляжа (рис.) состоит из четырех мощных лонжеронов и относительно небольшого числа стрингеров, имеющих очень малую площадь поперечного сечения. К поперечному набору относятся шпангоуты. Каркас покрывается тонкой обшивкой.

Рис. Лонжеронный фюзеляж (поперечное сечение)	Рис. Расчетная схема лонжеронного фюзеляжа

Основными силовыми элементами такого фюзеляжа являются четыре мощных лонжерона, которые практически воспринимают весь изгибающий момент. Слабый набор стрингеров служит главным образом для подкрепления обшивки. Относительно тонкая обшивка воспринимает крутящий момент и перерезывающую силу.

При проектировочном расчете лонжеронного фюзеляжа делается допущение, что изгибающий момент воспринимается только лонжеронами. Тогда осевая сила в лонжероне может быть найдена по формуле

S_л = 1/2 (M_в/h + M_г/b),

где M_в и M_г – изгибающие моменты в вертикальной и горизонтальной плоскости в сечении в рассматриваемом случае; h и b – расстояние между лонжеронами по высоте и ширине (рис.).

Затем по величине осевой силы определяется площадь поперечного сечения лонжерона

F_л = S_л /σ.

Для сжатого лонжерона σ = σ _кр, а для растянутого - σ = σ _в.

Обшивка лонжеронного фюзеляжа воспринимает перерезывающую силу и крутящий момент. От крутящего момента в обшивке будет действовать погонная касательная сила

q_кр = M_кр/2W,

где M_кр – крутящий момент в рассматриваемом сечении; W - площадь, ограниченная наружным контуром сечения фюзеляжа.

В проектировочном расчете обычно считают, что вертикальная составляющая перерезывающей силы воспринимается боковыми панелями, а горизонтальная составляющая – верхней и нижней панелями обшивки. Следовательно, от перерезывающей силы в панелях будут действовать следующие погонные касательные силы:

в боковых панелях

q_Qв = Q_в/2h,

в верхней и нижней панелях

q_Qг = Q_г/2b,

где Q_в и Q_г - вертикальная и горизонтальная перерезывающие силы в рассматриваемом сечении.

Общая погонная касательная сила в каждой панели определяется алгебраическим суммированием погонной касательной силы q от перерезывающей силы и от кручения:

q_i = q_Q+ q_кр.

После подсчета q_i находится толщина обшивки каждой панели

δ_i = q_i /τ_в.

Разрушающие касательные напряжения в обшивке τ_в определяется по формулам и графикам, приводимым в справочной литературе.

τ_в – временное сопротивление конструкционного материала на срез.

Стрингерный фюзеляж

Продольный набор стрингерного фюзеляжа состоит из большого числа стрингеров, поперечного – из шпангоутов. Каркас покрывается жесткой обшивкой.

Рис. Стрингерный фюзеляж (поперечное сечение)	Рис. Размер панелей стрингерного фюзеляжа, воспринимающих изгибающий момент: а – изгиб в вертикальной плоскости; б – изгиб в горизонтальной плоскости

Изгибающий момент фюзеляжа

Мощный стрингерный набор совместно с обшивкой воспринимает изгибающий момент фюзеляжа. Доля изгибающего момента, воспринимаемая обшивкой, зависит от частоты стрингерного набора. Чем толще обшивка и чем меньше расстояние между стрингерами, тем большее участие в работе на изгиб принимает обшивка.

Крутящий момент и перерезывающая сила

Крутящий момент и перерезывающая сила воспринимаются обшивкой.

Таким образом, в обшивке стрингерного фюзеляжа возникают не только касательные напряжения (от крутящего момента и перерезывающей силы), но и нормальные напряжения (от изгибающего момента).

Шпангоуты в стрингерном фюзеляже устанавливаются чаще, чем в лонжеронном.

Частая установка шпангоутов улучшает работу стрингеров и обшивки при сжатии.

При изгибе стрингерного фюзеляжа сильно нагружаются осевыми силами стрингеры и обшивка, наиболее удаленные от нейтральной оси, и очень мало нагружаются стрингеры и обшивка вблизи этой (нейтральной) оси.

Подбор элементов силового набора

При проектировочном расчете обычно принимают. Что от изгибающего момента нагружаются только крайние панели подкрепленной стрингерами обшивки. Размер их определяется ¼ габаритного размера рассмотренного сечения фюзеляжа (на рис. эти панели обведены штриховой линиями). При этом расстояние между точками приложения результирующих внутренних сил берется равным 2/3 габаритного размера рассмотренного сечения фюзеляжа.

Тогда осевая сила в верхней и нижней панелях

S = M_в /((2/3)H),

а в боковой панели

S = M_г /((2/3)В),

где H и В -высота и ширина рассматриваемого сечения фюзеляжа.

Эта сила S должна быть воспринята обшивкой и стрингерами панели.

Площадь поперечного сечения панели

F = S/σ,

где σ = σ_в для растянутой панели, а для сжатой σ = σ_кр.

Площадь растянутой панели

F = nf_стр + 0,9δl,

где

nf_стр – площадьпоперечного сечения всех стрингеров панели;

δ – толщина обшивки;

l – длина дуги панели;

0,9 – коэффициент, учитывающий ослабление обшивки заклепочными швами.

Отсюда, задавшись толщиной обшивки δ, можно найти площадь сечения стрингеров

nf_стр = F - 0,9δl,

а затем выбрать тип стрингеров f_стр и их количество n,

или, выбрав тип стрингеров f_стр и их количество n, рассчитать толщину обшивки δ

δ = (F- nf_стр) /0,9l.

Площадь сжатой панели

F_сж = nf_стр + 30δ² n,

где n – количество стрингеров,

30δ – присоединенная (к стрингеру) ширина обшивки.

Пи этом следует учитывать, что присоединенная ширина обшивки не может быть больше расстояния между стрингерами по длине (дельта) l.

Если же 30δ > (дельта) l, то нужно брать просто длину дуги (дельта) l между стрингерами.

Здесь при выборе типа стрингеров необходимо, чтобы критическое напряжение стрингера при заданном расстоянии между шпангоутами было не менее взятого при определении площади поперечного сечения панели σ_кр. при определении F_сж.

В стрингерном фюзеляже так же, как и в лонжеронном, принято считать, что вертикальная составляющая перерезывающей силы воспринимается боковыми панелями корпуса, а горизонтальная составляющая – верхней и нижней панелями, при этом размер панели берется 2/3 соответствующего габаритного размера. Тогда погонная касательная сила в боковой панели будет

q_Qв = Q_в/2(2H/3), = 3Q_в/4H,

в верхней и нижней панелях

q_Qг = 3Q_г/4B.

От крутящего момента в обшивке будет действовать погонная касательная сила

q_кр = М_кр/2W.

Здесь W - площадь, ограниченная наружным контуром рассматриваемого сечения фюзеляжа (корпуса).

Общая погонная касательная сила в панели от перерезывающей силы и крутящего момента

q_i = q_Q ± q_кр,

а касательное напряжение

τ_i = q_i/δ_i.

Необходимо, чтобы

τ_{i <=} τ_разр,

где τ_разр - разрушающее касательное напряжение (временное сопротивление конструкционного материала касательным напряжениям) в обшивке, определяемое по формулам и графикам, приводимым в справочной литературе.