
- •14. Силовые схемы, конструкция и работа крыльев
- •14. Силовые схемы, конструкция и работа крыльев
- •Р ис. 14.1. Конструкция крыла
- •14.1. Путь сил и работа элементов в силовой схеме крыла
- •9.2. Распределение усилий в сечении крыла
- •14.3. Типовые силовые схемы крыла
- •14.4. Конструкции крыльев современных самолетов
- •14.5. Типовые элементы конструкции крыла и расчет их на прочность
- •14.5.1. Обшивка со стрингерным подкреплением
- •Поясов; 2 – стрингеров; 3 - обшивки
- •14.5.2. Двухпоясная балка
- •14.5.3. Продольный набор и обшивка
- •14.5.4. Нервюры
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 τк;
- 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 (δст ≤ 1,5 мм), у которых допускается потеря устойчивости при Р ≥ Рэ, условия прочности следующие: при Рэ касательное напряжение τэ ≤ τк; при Рр τр ≤ τразр.
Для толстых стенок (δст > 1,5 мм) и стенок баков-отсеков, у которых потеря устойчивости не допустима до Р = Рр, условие прочности имеет вид τр ≤ τк.
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
Nст = R + N + ΔQ, (14.20)
где ΔQ = ΔQнос + ΔQцентр.
Сила Nст определяется для расчетных случаев нагружения. В этом случае условие прочности имеет вид
σр = nрст/Fст ≤ σк.
Шаг стоек tст определяется как размещением нервюр, так и условием обеспечения требуемого значения τк стенки. Обычно tст = 10...20 см
(шаг нервюр 35...100 см). При уменьшении шага стоек повышается τк стенки без увеличения ее толщины.
Стрингеры
Схема нагружения стрингеров (и обшивки) силами поперечной воздушной нагрузки и нормальными напряжениями от Мизг 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 ΔqQ обусловлены изменением Мизг по размаху крыла z, характеризуемым Q = dMuзг/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 ΔqQ 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 σк0 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 τк профиля (к), стрингер и присоединенная ширина обшивки (л)
Для повышения критического напряжения σк 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 σк0 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 σк 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 σк.стр = f(l) учетом отношения b/δ (l — расстояние между нервюрами — шаг нервюр).
В справочной литературе приводятся графики σк 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 σк.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 Мкр. Следовательно, она подвергается одновременному действию нормальных и касательных напряжений от Мизг и Мкр.
До тех пор пока сжатая обшивка не теряет устойчивости, напряжение от Мизг в ней такое же, как в стрингерах (если Еобщ = Естр).
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 σк 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 σк.стр. Тонкая обшивка, теряя устойчивость, способствует потере устойчивости стрингера, т. е. понижает τк.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 Мизг, Q, Мкрут, 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, σк и τк 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).