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; в…к — 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 τ_к;

- 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 (δ_ст ≤ 1,5 мм), у которых допускается потеря устойчивости при Р ≥ Р^э, условия прочности следующие: при Р^э касательное напряжение τ^э ≤ τ_к; при Р^р τ^р ≤ τ_разр.

Для толстых стенок (δ_ст > 1,5 мм) и стенок баков-отсеков, у которых потеря ус­тойчивости не допустима до Р = Р^р, условие прочности имеет вид τ^р ≤ τ_к.

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

N_ст = R + N + ΔQ, (14.20)

где ΔQ = ΔQ_нос + ΔQ_центр.

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

σ^р = n^р_ст/F_ст ≤ σ_к.

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

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

Стрингеры

Схема нагружения стрингеров (и обшивки) силами поперечной воздушной нагрузки и нормальными напряжениями от М_изг 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 Δq_Q обусловлены изменением М_изг по размаху крыла z, характеризуемым Q = dM_uзг/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 dσ — изменение напряжения σ в стрингере на расстоянии dz, то

(14.21)

Значение Δq_Q 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 σ_к0 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 τ_к профиля (к), стрингер и присоединенная ширина обшивки (л)

Для повышения критического напряжения σ_к 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 σ_к0 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 σ_к 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 σ_к.стр = f(l) учетом отношения b/δ (l — расстояние между нервю­рами — шаг нервюр).

В справочной литературе приводятся графики σ_к 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 σ_к.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 М_кр. Следовательно, она подвергается од­новременному действию нормальных и касательных напряжений от М_изг и М_кр.

До тех пор пока сжатая обшивка не теряет устойчивости, напряжение от М_изг в ней такое же, как в стрингерах (если Е_общ = Е_стр).

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 σ_{к 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 σ_к.стр. Тонкая обшивка, теряя устойчивость, способствует потере устойчивости стрингера, т. е. понижает τ_к.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 М_изг, Q, М_крут, 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, σ_к и τ_к 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, б…е).