12.2. Нагрузки, действующие на фюзеляж

На фюзеляж в различных условиях эксплуатации могут действовать следующие нагрузки:

1) силы, передающиеся на фюзеляж от прикрепленных к нему частей летательного аппарата (крыла, оперения, двигательных установок, шасси);

2) массовые силы грузов и агрегатов, расположенных внутри фюзеляжа, а также массовые силы собственной конструкции;

3) реакции земли или воды в аварийной ситуации, приложенные непосредственно к фюзеляжу;

4) аэродинамические силы (разрежение или давление), распределенные по поверхности фюзеляжа;

5) давление (или разрежение) в герметических отсеках.

В отличие от крыла приложенные к поверхности фюзеляжа аэродинамические силы распределены так, что они не оказывают существенного влияния на работу конструкции фюзеляжа как балки. Но эти силы могут оказаться решающими при расчете отдельных частей (например, фонаря кабины) на местную прочность.

Случаи нагружения фюзеляжа самолета, предусмотренные нормами прочности, можно разбить на три группы.

Первая группа. Это случаи нагружения частей ЛА, примыкающих к фюзеляжу.

ЛА рассматривается как тело, находящееся в равновесии под действием поверхностных и массовых нагрузок фюзеляжа и частей, примыкающих к фюзеляжу.

Коэффициенты безопасности f для фюзеляжа принимаются такими же, как и для примыкающих к нему частей.

Первая подгруппа – случаи, в которых отсутствует ускоренное вращение ЛА относительно центра тяжести (рис. 12.2).

Для случая А нагружения имеют следующую схему действующих поверхностных сил, параллельных оси y (рис. 12.2, а):

а) подъемная сила крыла Y = n_AG, определяемая по нормам прочности для случая А крыла;

б) уравновешивающая нагрузка на горизонтальное оперение определяемая из условия равновесия моментов относительно центра тяжести ЛА.

Перегрузка в центре тяжести ЛА п_у отличается по величине от перегрузки п_А, задаваемой нормами прочности крыла:

(12.1)

Вследствие отсутствия ускоренного вращения ЛА величина п_у для всех грузов одинакова. Поэтому массовая сила груза или агрегата, имеющего вес G_i, равна

(12.2)

а

б

ЦТ

ЦТ

L_го

L_го

Y_го

ΔY_го

Y_го

Рис. 12.2. Силы, действующие на ЛА [6]:

а – в случае нагружения А; б – в случае нагружения В

Вторая подгруппа – случаи, связанные с ускоренным вращением самолета относительно его центра тяжести.

В качестве примера рассмотрим действие маневренной нагрузки на горизонтальное оперение в случае В. На ЛА действуют поверхностные силы, параллельные оси у (рис. 12.2, б):

а) подъемная сила крыла

б) уравновешивающая нагрузка на горизонтальное оперение

в) маневренная нагрузка на горизонтальное оперение

Под действием неуравновешенной силы ЛА совершает вращение относительно центра тяжести с угловым ускорением

(12.3)

где – массовый момент инерции ЛА относительно оси z:

(12.4)

Перегрузка в центре тяжести самолета равна

(12.5)

Перегрузка в точке, не лежащей в центре тяжести, равна

. (12.6)

Здесь знаки плюс или минус берутся в зависимости от направлений массовых сил и в рассматриваемой точке (см. рис. 12.2, б).

Массовая сила произвольного груза i равна

. (12.7)

Вторая группа. Это случаи непосредственного нагружения фюзеляжа (рис. 12.3). Основными случаями этой группы являются

ЦТ

а б

ЦТ

в

Рис. 12.3. Случаи непосредственного нагружения фюзеляжа [6]:

а – неполный капот; б – полный капот; в – вынужденная посадка с убранным шасси

Случай К_ф – неполный капот (рис. 12.3, а). Этот случай рассматривается только для самолетов с хвостовым колесом.

Случай Р_ф – полный капот (рис. 12.3, б). Этот случай рассматривается только для самолетов с

Случай П_ф – вынужденная посадка с убранным шасси (рис. 12.3, в). Нагрузка от земли передается на фюзеляж в секторе, обозначенном углами 60° и 30°.

Случай М_ф – вынужденная посадка на воду. Здесь рассматривается действие гидродинамической нагрузки при ударе о воду.

Случай Н_ф – боковая нагрузка передней части фюзеляжа (например, вираж со скольжением). За переднюю часть принимают часть фюзеляжа от носка до переднего лонжерона крыла. В этом случае рассматривается нагружение носовой части фюзеляжа только массовыми силами в направлении оси Z.

Третья группа. Нагружение распределенными аэродинамическими силами и силами давления и разрежения в герметических отсеках.

Расчет воздушных нагрузок на поверхность фюзеляжа может быть произведен по результатам продувок или по рекомендациям норм прочности. В качестве примера на рис. 12.4 представлены диаграммы распределения коэффициента избыточного давления , где q – скоростной напор, в полете по поверхности фюзеляжей различных очертаний при М М_крит. На носовую часть фюзеляжа действуют также значительные боковые нагрузки при скольжении самолета.

а

б

Цилиндрический участок

Рис. 12.4. Диаграммы распределения давления

по поверхности фюзеляжа [6]:

а – фюзеляж с выступающим фонарем; б − фюзеляж, выполненный

по форме тела вращения с цилиндрической вставкой

Знание избыточного давления на поверхности фюзеляжа нужно для расчета крышек люков, окон и фонарей, для правильного размещения выводов дренажных трубок. Воздушные нагрузки учитываются также при расчете конструкции воздухозаборников и воздушных каналов.

При рассмотрении совместного действия аэродинамических нагрузок и давления или разрежения в герметических отсеках нужно иметь в виду, что действительные условия нагружения обшивки соответствуют наружному и внутреннему нагружениям (рис. 12.5).

Д

Рис. 12.5. Нагружение обшивки

фюзеляжа

р_нар

Обшивка

еформации же обшивки и нагрузка на ее крепления определяются избыточным давлением, которое находится как разность абсолютных давлений:

,

или манометрических (избыточных по сравнению с атмосферным р_ат) аэродинамического и давления в кабине , т. е.

р_вн

Отсюда следует, что особенно неблагоприятные условия нагружения обшивки (и стекол) будут в следующих случаях:

− если аэродинамическое избыточное давление > 0 и разрежение в кабине  0;

− если аэродинамическое разрежение и давление в кабине > 0.