12.3. Конструкция и расчет фюзеляжа на прочность

Конструкция фюзеляжа выполняется по обычной или двухбалочной схеме (рис. 12.6).

Фюзеляж обычной схемы (монофюзеляж) представляет собой балку, опертую на крыло и работающую на изгиб и кручение (рис. 12.6, а).

Если самолет выполнен по двухбалочной схеме с гондолой, то гондола также опирается на крыло и работает как балка, а хвостовые балки вместе с горизонтальным оперением образуют жесткую раму, заделанную в крыло (рис. 12.6, б).

Конструкции каркаса фюзеляжа делятся по силовой схеме на ферменные и балочные (рис. 12.7).

Основными силовыми элементами ферменной конструкции являются стержни, образующие пространственную ферму (рис. 12.7, а). Обшивка придает фюзеляжу обтекаемую форму, воспринимает воздушные нагрузки и передает их на ферму.

Основной силовой схемой фюзеляжа современных самолетов является балочная конструкция. В дальнейшем мы будем рассматривать только балочные фюзеляжи (рис. 12.7, б).

В балочном фюзеляже основными силовыми элементами являются работающая обшивка; силовые элементы продольного набора – нормальные и усиленные стрингеры; силовые элементы поперечного набора – нормальные и усиленные шпангоуты.

В зависимости от того, какие силовые элементы включены в конструкцию, различают два ее типа:

1) полумонокок, или балочно-стрингерный фюзеляж (рис. 12.7, б);

2) монокок, или балочно-скорлупный фюзеляж, в котором толстая работающая обшивка подкреплена только шпангоутами.

По схеме «монокок» выполняются отдельные отсеки фюзеляжей, не имеющих вырезов в обшивке. Фюзеляжи, выполненные по схеме «монокок», встречаются редко. Это объясняется тем, что для компенсации выреза в бесстрингерной обшивке требуется установка усилений, значительно увеличивающих вес конструкции.

1

Y_го

2

3

р_во

а

р_во

4

Y_го

б

Рис. 12.6. Конструкция фюзеляжа [6]:

а – балка, опертая на крыло; б – рама (в случае двухбалочной схемы),

заделанная в крыло: 1 – шпангоуты; 2, 4 –лонжероны крыла;

3 – точка оперения фюзеляжа

Усилия в сечениях фюзеляжа. В общем случае в поперечном сечении фюзеляжа действуют вертикальные или горизонтальные поперечные силы, изгибающие и крутящий моменты (см. рис. 12.2.)

а

б

1

3

2

Рис. 12.7. Силовые схемы фюзеляжей:

а – ферменный фюзеляж самолета Як-12;

б – балочный фюзеляж и его основные силовые элементы:

1 – обшивка; 2 – шпангоуты; 3 – стрингеры

Поперечные силы, изгибающие и крутящие моменты определяются обычными приемами. Для этого в рассматриваемом случае нагружения определяются поверхностные силы крыла и оперения и по формулам (12.1) или (12.6) вычисляются перегрузки, а по формулам (12.2) и (12.7) определяются массовые силы грузов и агрегатов и погонные массовые силы конструкции .

В приближенных расчетах фюзеляж разбивается на ряд отсеков, количество которых зависит от требуемой точности. Массовые нагрузки от конструкции и грузов каждого отсека представляются в виде сосредоточенной силы, приложенной в центре тяжести отсека.

Фюзеляж рассматривается как балка (см. рис. 12.6), находящаяся в равновесии под действием массовых и поверхностных сил. Поверхностные силы от крыла и оперения прилагаются по узлам их крепления и рассматриваются как реакции.

В качестве примера на рис. 12.8 представлены эпюры поперечных сил и изгибающих моментов фюзеляжа при его изгибе в вертикальной плоскости.

а

б

ЦТ

ЦД_го

ЦД_кр

ЦТ_кр

Y_го

ΔY_го

Рис. 12.8. Нагружение фюзеляжа в вертикальной плоскости:

а – нагрузки и усилия в сечении фюзеляжа; б – эпюры поперечных сил

и изгибающих моментов при изгибе в вертикальной плоскости

Вследствие сходства силовых схем крыла и фюзеляжа имеется аналогия в назначении и работе элементов балочного фюзеляжа и крыла (рис. 12.9):

№ п/п	Балка крыла	Балка фюзеляжа
1 2 3 4 5	Работающая обшивка крыла Нормальные стрингеры крыла Пояса лонжеронов Стенки лонжеронов Нормальные нервюры	Работающая обшивка фюзеляжа Нормальные стрингеры фюзеляжа Усиленные стрингеры Боковые панели обшивки Нормальные шпангоуты

Аналогия в работе балочного фюзеляжа и крыла позволяет при расчете фюзеляжа на прочность применять такие же методы расчета, как и для крыла.

Определение напряжений в сечениях фюзеляжа и проверка прочности продольного набора и обшивки. Расчет на вертикальный изгиб является основным для подбора сечений продольного набора. Наиболее существенными нагрузками, вызывающими изгиб фюзеляжа в вертикальной плоскости, являются нагрузки в полетных случаях А, А' и В и в посадочном случае Е.

1

2

3

4

б

а

5

Рис. 12.9. Аналогия в назначении и работе [6]:

а – крыла; б – балочного фюзеляжа: 1 – обшивка; 2 – нормальные стрингеры; 3 – пояс лонжерона и усиленный стрингер; 4 – стенка лонжерона и боковая панель обшивки; 5 – нормальная нервюра и нормальный шпангоут

Сечение фюзеляжа схематизируется как сечение двухпоясной балки (рис. 12.10). Своды сечения рассматриваются как пояса балки, боковины – как стенки.

За рабочую высоту Н двухпоясной балки принимается:

1. при конструкции с усиленными стрингерами – расстояние между ними (рис. 12.10, а);

2. при стрингерной конструкции для круглых и эллиптических сечений (рис. 12.10, б); высота свода для них принимается равной (на рис. 12.10 своды выделены штриховыми линиями).

Фиктивное нормальное напряжение в своде равно

(12.8)

где – редуцированная площадь сечения свода.

Редуцированная площадь сечения свода (верхнего или нижнего) определяется так же, как это делалось при расчете панелей крыла:

(12.9)

где f – площадь сечения усиленного стрингера (для рассматриваемого свода); – площадь сечения нормального стрингера; – площадь сечения обшивки; – длина дуги рассматриваемого свода.

Действительные значения нормальных напряжений в элементах свода могут быть получены из выражения

(12.10)

Величина редукционного коэффициента выбирается таким же образом, как и при приближенном расчете крыла. Если напряжения близки к разрушающим, то

а

б

в

г

Рис. 12.10. Расчет фюзеляжа на вертикальный изгиб [6]:

а, б, в – схематизация сечения; г – угол конусности, учитываемый

при расчете на сдвиг в вертикальной плоскости

Если напряжения невелики (для сжатой зоны меньше , а для растянутой меньше ), то

Касательные напряжения в боковинах обшивки фюзеляжа при вертикальном изгибе определяются по формулам

(12.11)

где – толщина боковой обшивки;

При определении не учитывается кривизна боковин.

Приведенное значение силы Q в расчетном сечении находится с учетом конусности фюзеляжа при виде сбоку по формуле

(12.12)

где – значение поперечной силы, полученное при расчете эпюры Q, без учета конусности; α – угол конусности, который определяется как угол между осями усиленных стрингеров или линиями, соединяющими точки, соответствующие (рис. 12.10, г).

Под действием напряжений, найденных из расчета на вертикальный изгиб, элементы фюзеляжа проверяются на прочность так же, как аналогичные элементы крыла:

– обшивка и нормальные стрингеры верхнего и нижнего сводов – как обшивка и стрингеры крыла при работе на нормальные напряжения;

– обшивка боковин – на сдвиг как стенки лонжеронов;

– усиленные стрингеры – как пояса лонжеронов.

При расчете фюзеляжа на вертикальный изгиб принимаются два дополнения.

1. При расчете сечений фюзеляжа, расположенных в пределах герметических отсеков, должно быть учтено нагружение этих отсеков внутренним давлением. От этого давления в элементах фюзеляжа развиваются дополнительные нормальные напряжения. Для цилиндрической круговой оболочки дополнительное осевое напряжение равно

где – расчетное избыточное давление; R – радиус цилиндра; – приведенная толщина обшивки.

Так как

то формула (12.8) с учетом внутреннего избыточного давления в герметическом отсеке фюзеляжа примет вид

где знак «+» берется для растянутого свода, а «–» – для сжатого свода.

2. При определении нормальных напряжений в элементах свода по формуле не учитывается различное расположение силовых элементов по высоте, различное расстояние их от нейтральной оси (рис. 12.11). Ошибка будет незначительной, если все элементы работают в зоне пластических деформаций (рис. 12.11, б). При малых напряжениях (рис. 12.11, а) расчет неточен. Поправку можно внести для наиболее удаленных от нейтральной оси элементов, пользуясь формулой, аналогичной применяемой в приближенном расчете крыла:

где – расстояние элемента от нейтральной оси.

б

а

σ > σ_пц

Рис. 12.11. Распределение нормальных напряжений

по высоте сечения фюзеляжа:

а – при работе элементов в зоне упругих деформаций;

б – при работе элементов в зоне пластических деформаций

При расчете на горизонтальный изгиб и кручение нагрузками, вызывающими горизонтальный изгиб и кручение фюзеляжа, являются боковые поверхностные и массовые силы. Наиболее существенные из них для носовой части – это нагрузки при скольжении, для хвостовой части – случаи нагружения вертикального оперения при маневре, в болтанку, а для самолетов с несколькими двигателями – также случай остановки двигателей с одной стороны от плоскости симметрии.

При расчете на горизонтальный изгиб (рис. 12.12) балочный фюзеляж, как и при рассмотрении вертикального изгиба, схематизируется в виде двухпоясной балки (рис. 12.12, а). Боковины сечения рассматриваются как пояса балки, своды – как стенки. При определении рабочей высоты двухпоясной балки В применяются те же правила, как для Н в случае вертикального изгиба фюзеляжа.

Нормальные напряжения в элементах боковых сводов определяются, как и при расчете на вертикальный изгиб, по формулам (12.8) и (12.10). При этом редуцированная площадь бокового свода находится по выражению, аналогичному выражению (12.9), в которое входят размеры элементов бокового свода:

(12.13)

При горизонтальном изгибе и кручении фюзеляжа получаются большие касательные напряжения в обшивке, вызываемые поперечной силой и крутящим моментом.

Так как боковины фюзеляжа симметричны, то центр жесткости сечения находится на его вертикальной оси. Положение центра жесткости по высоте приближенно определяется соотношением площадей сечения обшивки как положение центра тяжести площадей верхнего и нижнего сводов.

б

а

ЦЖ

Р_во

Рис. 12.12. Расчет фюзеляжа на горизонтальный изгиб и кручение [6]:

а – схематизация сечения; б – усилия в сечении

и касательные напряжения в обшивке

При вычислении крутящего момента принимается, что ось жесткости сечения перпендикулярна плоскости шпангоута.

Величина крутящего момента вычисляется как сумма моментов всех сил (поверхностных и массовых), действующих на отсеченную часть фюзеляжа, относительно оси жесткости рассматриваемого сечения. Так, при действии на отсеченную хвостовую часть только силы Р_во (рис. 12.12, б) величина М_кр равна:

.

Погонные касательные усилия от поперечной силы, приложенной в центре жесткости, находятся аналогично тому, как при вертикальном изгибе:

(12.14)

Приведенное значение силы Q с учетом конусности фюзеляжа определяется по формуле

(12.15)

где – угол конусности при виде сверху, определяемый аналогично углу конусности при виде сбоку (см. рис. 12.10, г). Касательные усилия в замкнутом контуре сечения от крутящего момента находятся по формуле

(12.16)

где F_к – площадь контура сечения.

Суммарные касательные усилия и напряжения подсчитываются по формулам

; (12.17)

при этом в расчет вводятся толщины верхней и нижней обшивки – и

Так как вертикальное оперение расположено над фюзеляжем, то вызванные нагрузкой на это оперение усилия и в обшивке верхнего свода всегда складываются (см. рис. 12.12, б).

При горизонтальном изгибе и кручении обшивка боковин фюзеляжа работает на нормальные и касательные напряжения. Поэтому проверку ее прочности следует вести так же, как для обшивки крыла при совместном действии и .

Особенности конструкции и расчета на прочность герметических кабин. Современные самолеты летают на больших скоростях и высотах, а для обеспечения нормальной жизнедеятельности пассажиров в кабине потребовалось создание необходимого давления. Кабина самолета, внутри которой в полете поддерживается повышенное (по сравнению с атмосферным) давление воздуха, называется герметической (рис. 12.13). Такая кабина, выполненная в виде обособленного силового агрегата и установленная в фюзеляже без включения ее в силовую схему, называется подвеской. Размеры кабины не зависят от размеров и обводов фюзеляжа, и поэтому она может быть выполнена с наивыгоднейшими по прочности формами и минимальными размерами.

Кабины пассажирских самолетов, как правило, представляют собой герметизированный отсек фюзеляжа и полностью включены в его силовую схему. Подобная кабина работает, как сосуд, под действием внутреннего давления, а также подвергается изгибу и кручению, как и обычный фюзеляж. По соображениям прочности наилучшей формой сооружения, нагруженного изнутри избыточным давлением, является шар, но в связи с неудобствами размещения в такой кабине экипажа и пассажиров кабине стремятся придать форму цилиндрической оболочки, закрытой по концам сферическими днищами (рис. 12.14). Переход от цилиндрических стенок к днищу по возможности должен быть плавным, без переломов. При переломах днище, нагруженное избыточным давлением, сжимает стенки цилиндра в направлении радиусов, и тогда в этом месте необходимо ставить усиленный шпангоут. Особенно нужно подкреплять плоские днища.

Рис. 12.13. Схема гермокабины [1].

Для сохранения в кабине избыточного давления необходимо обеспечить ее герметичность. Разумеется, обеспечить полную герметичность кабины очень трудно, поэтому допускается некоторая утечка воздуха, не снижающая безопасности полета. Критерием герметичности может служить время падения давления от значения рабочего избыточного до избыточного давления 0,01 МПа 25–30 мин. Герметизация кабин достигается герметизацией обшивки и остеклением люков и дверей, выводов из кабин тяг, тросов, валиков управления самолетом и двигателем, электропроводки, трубопроводов гидросистем и т. п.

На современных самолетах герметические кабины выполняются как герметические отсеки фюзеляжа.

Конструкция герметических отсеков должна обеспечивать их прочность под действием избыточного давления и отсутствие значительных утечек воздуха через стенки отсеков в атмосферу. Для уменьшения напряжений от избыточного давления герметические отсеки целесообразно выполнять как сочетание цилиндрических, сферических и конических участков с усиленными шпангоутами в местах сопряжения.

б

а

НП

НП

НП

НП

Рис. 12.14. Конструкция сферического гермоднища

герметической кабины [1]:

а – общий вид; б – элементы конструкции

В процессе создания герметического отсека необходимо обеспечить герметичность заклепочных швов, остекления, подвижных частей (дверей, крышек люков и др.) и выводов проводки управления самолетом и его агрегатами.

Герметичность заклепочных швов обеспечивается уплотнительными тиоколовыми лентами, которые подкладываются под заклепочные швы. Головки заклепок покрываются тиоколовой замазкой или другими герметиками.

Окна, двери и люки герметизируются при помощи резиновых прокладок или резиновых трубок. Выводы проводки управления герметизируются сальниками из войлочных и резиновых колец.

При расчете на прочность герметических отсеков фюзеляжа должны рассматриваться два варианта нагрузок от давления и разрежения в отсеках:

1. Действие максимального избыточного давления и максимального избыточного разрежения (при экстренном снижении самолета, когда внутреннее давление может оказаться меньше наружного – атмосферного).

2. Совместное действие нагрузок от давления и разрежения и нагрузок, действующих на герметический отсек в основных полетных случаях нагружения как на часть фюзеляжа.

При проверке прочности на первый вариант нагрузок эти напряжения рассматриваются сами по себе, при расчете прочности на второй вариант нагрузок – в сумме с напряжениями от нагрузок, действующих на фюзеляж в полетных случаях нагружения.

При определении напряжений от разности давлений обшивка отсека рассматривается как безмоментная оболочка.

За расчетную схему отсека берется тонкостенный сосуд со стенками, нежесткими на изгиб.

Для безмоментной оболочки, представляющей тело вращения (рис. 12.15), нормальные напряжения вычисляются по формуле

г

Рис. 12.15. Схема к определению

напряжений от избыточного давления

в безмоментной оболочке

де и – нормальные напряжения в кольцевом и в меридиональном сечениях; и – соответствующие радиусы кривизны; – расчетное избыточное давление, определяемое по нормам прочности; – толщина обшивки.

В частном случае для сферического участка кабины (для сферического днища) и , поэтому

.

Для участка конструкции, представляющего круговой цилиндр, , поэтому

Величина находится из условия равновесия отсеченной части кабины:

Если конструкция отсека обеспечивает включение в работу на нормальные напряжения стрингеров, то

где – приведенная толщина обшивки.

Следует иметь в виду, что в местах сопряжения поверхностей разной кривизны должны стоять усиленные шпангоуты или рамы, иначе в обшивке возникают значительные дополнительные напряжения изгиба.

Таким образом, фюзеляжи различных самолетов имеют разные внешние формы и геометрические характеристики, такие как форма поперечного сечения и удлинение. При определенных условиях эксплуатации на фюзеляж действуют различные нагрузки. Случаи нагружения фюзеляжа самолета регламентированы нормами прочности.