2.2. Основные принципы рационального проектирования элементов конструкции самолета
Для того чтобы рационально спроектировать тот или иной элемент конструкции, необходимо четко представлять себе его место в общей конструктивно-силовой схеме и долю участия в работе конструкции, т.е. от какого элемента он воспринимает и на какой передает заданную нагрузку.
Существует ряд положений, обязательных при проектировании наивыгоднейших конструкций и не меняющихся с течением времени (своего рода таблица умножения проектирования).
1. Чтобы конструкция имела наименьшую массу, необходимо при проектировании предусмотреть передачу силы по кратчайшему пути и по возможности по прямой.
В качестве примера рассмотрим передачу силы из точки А в точку В (рис. 2.1). При использовании для передачи силы стержня АВ, работающего на растяжение, мы получаем конструкцию минимальной массы (см. рис. 2.1, а). В конструкции, представленной на рис. 2.1, б, из-за помехи появляется дополнительный элемент DC, работающий на изгиб. Масса этой конструкции будет больше. Это объясняется тем, что при растяжении и чистом сжатии эпюра нормальных напряжений по сечению равномерная и стержень работает с полной загрузкой до АВ. При изгибе наибольшие напряжения испытывают крайние волокна, наиболее удаленные от нейтральной оси. Все остальные элементы сечения недогружены, в результате масса конструкции получается больше.
Рис. 2.1. Передача силы кратчайшим путем
Характерным примером неправильного конструктивного решения является узел фермы, показанный на рис. 2.2, а. Силы, направленные по оси стержней фермы, будут уравновешиваться в случае пересечения их в точке О (рис. 2.2, б). При наличии эксцентриситета а на пояс фермы дополнительно действует изгибающий момент, который может вызывать его преждевременное разрушение. Особенно сильно такое конструктивное решение понизит сопротивление усталости пояса фермы. В зоне действия дополнительного момента конструкция может преждевременно разрушаться при работе на повторные нагрузки. При передаче силы необходимо стремиться к тому, чтобы большинство длинных элементов работало на растяжение, а коротких – на сжатие.
Рис. 2.2. Сочленение элементов узла: а – неправильное; б – правильное
На
рис. 2.3, а,
б показаны
две фермы. В первом варианте на сжатие
работают короткие стержни-стойки,
длинные раскосы работают на растяжение.
Во втором варианте на сжатие работают
длинные стержни-раскосы. Так как при
сжатии стержень может потерять
устойчивость при кр
< в,
то чем длиннее стержень, в балке,
работающей на изгиб
тем
меньше его критическое напряжение, т.е.
тем большим должно быть его сечение для
увеличения радиуса инерции i
=
,
где
J
–
момент инерции сечения; F
–
площадь сечения, а следовательно, тем
больше будет масса конструкции.
Рис. 2.3. Варианты расстановки раскосов в ферме:
а – раскос работает на растяжение; б – раскос работает на сжатие
В качестве второго примера можно рассмотреть показанную на рис. 2.4 стойку шасси с подкосом. Если подкос поставлен в направлении b, он работает на растяжение, если в направлении с – на продольный изгиб. Очевидно, что в первом случае масса подкоса будет меньше.
Рис. 2.4. Стойка с подкосом, служащим для восприятия осевых усилий
2. Для уменьшения массы при проектировании конструкции надо стремиться к равнопрочности. Правильно спроектированная деталь (узел) должна разрушаться по всем сечениям при достижении действующей силой разрушающего значения. Например, у кронштейна (рис. 2.5) при достижении силой Р значения Рр должны одновременно срезаться все болты, разорваться проушины по сечениям А–А, В–В и т.д.
Рис. 2.5. Равнопрочный кронштейн
3. При проектировании конструкции необходимо стремиться к равномерному предельному нагружению материала в сечении. Например, сечение элемента, работающего на поперечный изгиб (рис. 2.6), необходимо выполнять с максимальным удалением массы материала от нейтральной оси.
Рис. 2.6. Напряжения, возникающие в балке, работающей на изгиб
4. При проектировании конструкций необходимо стремиться к тому, чтобы все детали были работающими, чтобы по возможности каждая деталь выполняла как можно больше функций. Необходимо использовать все свободные объемы. Например, кессон крыла на большинстве пассажирских самолетов используется одновременно как бак для топлива. В данном случае мы имеем двойное уменьшение массы как из-за отсутствия дополнительного бака, так и благодаря разгрузке крыла весом горючего. Герметические кабины на большинстве самолетов являются одновременно элементом фюзеляжа, работающим на все его нагрузки. Вставные кабины, работающие только на перепад давлений, значительно увеличивают массу самолета. Силовой шпангоут крепления узла киля обычно стремятся использовать также для крепления узлов или оси стабилизатора; это также позволяет уменьшить массу.
При проектировании конструкции необходимо всегда четко представлять себе способ ее изготовления, стремясь к использованию наиболее технологичных методов:
применять простейшие заготовки;
назначать минимальную чистоту обработки, необходимую для функционирования конструкции;
уменьшать число деталей;
не назначать чрезмерную точность изготовления там, где она не требуется по условиям работы конструкции, это значительно снизит стоимость производства.