14.5.4. Нервюры

Нервюры — это поперечные силовые элементы крыла.

Нервюры прямого крыла, а также стреловидного и треугольного крыльев малого удлинения устанавливаются по потоку и, следовательно, под прямым углом к лонжерону, расположенному перпенди­кулярно оси самолета.

В стреловидной части крыла большого удлинения на участках, удаленных от конца и корня крыла, нервюры для уменьшения их длины устанавливаются обычно перпендикулярно одному из лонжеронов; по потоку распо­лагаются только концевая нервюра и нервюры центроплана.

По своему назначению и конструктивному оформлению нервюры подразделяются на нормальные и усиленные (силовые). Изготавли­вают нервюры в основном из алюминиевых сплавов, хромансиля (усиленные нервюры).

Нормальные нервюры служат для сохранения заданной формы профиля крыла, и передачи воздушной нагрузки с прилегающего к нервюре участка обшивки на балку крыла. Кроме того, нервюры, подкрепляя обшивку и стрингеры, повышают их критические напря­жения.

Обычно шаг нервюр t_н = 350...1000 мм. В крыле моноблочной силовой схемы шаг нервюр больше, чем в лонжеронной. Нервюры, подобно стойкам лонжерона, сопро­тивляются сплющиванию крыла (сближению сжатой и растянутой панелей) при изгибе и нагружаются при этом радиальными силами от стрингеров и присоединенной к ним обшивки. Однако эти силы значительны только там, где плоскость хорд имеет перелом (при изменении угла поперечного V)

Следует отметить, что если обшивка вместе с лонжеронами представляет собой оболочку, обладающую большой собственной (рамной) жесткостью в плоскости поперечного сечения, то роль нормальных нервюр снижается, так как значительная часть воз­душной нагрузки передается с обшивки непосредственно на лон­жероны, минуя их.

Усиленные нервюры выполняют те же функции, что и нормальные, но главным их назначением является передача на балку крыла нагрузок, действующих от агрегатов, установленных на кры­ле (двигатели, шасси, механизация и др.), или перераспределение внутренних сил между участками и элементами крыла. Это опреде­ляет места расстановки усиленных нервюр.

Конструкция и работа нервюр

Воздушные нагрузки, передаваемые от обшивки на нервюру, и нагрузки, приложенные к усиленной нервюре и действующие в ее плоскости, стремятся сдвинуть (по вертикали) и повернуть её относительно балки крыла.

Нервюра уравновешивается силами, действующими на нее со стороны стенок и обшивки через соединительные элементы (рис. 14.21).

Рис 14.21. Схема уравновешивания нервюры

Воздушные нагрузки передаются на нервюру в виде сил, нор­мальных к поверхности обшивки; при этом обшивка, нагруженная разрежением, заставляет работать на растяжение заклепки, кре­пящие ее к полке нервюры.

Все нагрузки, действующие на нервюру, образуют силу и момент, вызывающие сдвиг и по­ворот ее за счет деформаций об­шивки, стенок и соединительных элементов. Пренебрегая податли­востью последних, за центр поворота можно принять центр жест­кости того сечения балки крыла, около которого установлена нервюра.

Уравновешивающие нервюру реакции обшивки и стенок действуют по направлению их наибольшей жесткости, т. е. по касатель­ным к контуру кессона. При этом заклепки, соединяющие нервюру с обшивкой и стенками, работают на срез.

Балочные нервюры наиболее распространены. Они более жесткие, их конструкция легче и более технологична по сравнению с ферменной.

Примеры конструкций нормальных и усиленных балочных нер­вюр представлены на рис. 14.22.

Как правило, нервюры состоят из трех частей: носовой, средней (межлонжеронной) и хвостовой. Простота конструкции балочных нервюр объясняется тем, что многие их части изготав­ливаются штамповкой из листового материала.

Рис. 14.22. Конструкции нормальных и усиленных нервюр

а — балочная штампованная; б — балочная с поясами на межлонжеронной части; в — балочная усиленная; г — рамная (поясная); д — монолитная усиленная..

1 — стрингер, 2 — зиг, 3, 5, 7 — пояса нервюры, 4,8 — компенсаторы, 6 — стенка нервюры, 9 — площадка для крепления обшивки

Нормальная нервюра соединяется с обшивкой посредством отбортовок, получаемых при штамповке (см. рис. 14.22, а). Так как в нервюре снизу и сверху делаются вырезы под стрингеры, то роль поясов в ней выполняет обшивка. Если этого недостаточно из-за малой толщины обшивки, то к стенке нервюры приклепывают­ся пояса обычно с уголковым сечением.

Часто по условиям крепления толщина стенки нервюры берет­ся большей, чем это требуется из условий прочности. Тогда для облегчения в ней выштамповывают отверстия с отбортовкой. Отбортовки по контуру отверстий, а также зиги (см. рис. 14.22, б) увеличивают жесткость стенок нервюр.

Соединение обшивки с нервюрой в ряде случаев производится при помощи так называемых компенсаторов (см. рис. 14.22, в и рис. 14.23), что позволяет более точно выдерживать заданную фор­му профиля крыла. Иногда в целях улучшения поверхности или уменьшения объема клепальных работ обшивка крепится только к стрингерам (см. рис. 14.22, б и рис. 14.23, г, д), а стрингеры крепятся к нервюре непосредственно или через компенсаторы.

В таких кон­струкциях передача на нервюру воздушных нагрузок (по нормали к контуру обшивки) и реакций при уравновешивании нервюры (по касательной к контуру обшивки) происходит через стрингеры и компенсаторы.

Р ис. 14. 23. Крепление обшивки (а, б), стрингеров (г, д), монолитной панели (в) к нервюрам и крепление усиленной нервюры к лонжерону (е)

1 - стенка нервюры, 2 - зиг, 3 - обшивка, 4 - отбортовка, 5 - стрингер, 6 - компен­сатор, 7 - пояс нервюры, 8 - монолитная панель, 9 - фитинг, 10 - пояс лонжерона, 11 - стенка лонжерона, 12 – стойка.

К стенкам лонжеронов нервюры крепятся посредством стоек (см. рис. 14.16).

Усиленные балочные нервюры имеют более мощные пояса, стен­ки и стойки (см. рис. 14.22, в).

Нагрузки, действующие на усиленные нервюры, создают в их сечениях большие изгибающие моменты и поперечные силы. Это требует усиления креплений их к лонжерону (см. рис. 14.23, е).

В местах крепления к крылу шасси, двигателей и соединения крыла с фюзеляжем применяются монолитные цельноштампованные усиленные нервюры (см. рис. 14.22, д).

Рамные (поясные) нервюры применяются как нормальные нер­вюры в тех случаях, когда это необходимо по условиям компо­новки, например в местах размещения топливных баков в крыле (см. рис. 14.22, г).

Так как пояса рамной нервюры разделены, то каждый работает на изгиб, как балка малой высоты. На верхний пояс нервюры передается воздушная нагрузка от верхней обшивки, а на нижний — от нижней обшивки. Обычная же балочная нервюра работает как балка с полной строительной высотой подобно лонжерону (рис. 9.24). Поэтому масса рамной нервюры получается больше, чем балочной.

Ферменные нервюры применяются главным образом в конструк­циях крыльев легких самолетов с полотняной обшивкой.

Расчет нервюр на прочность

Основной для расчета нор­мальной нервюры является воз­душная наг-рузка, передающаяся с полосы крыла шириной, равной шагу нервюр t_H.

Рис. 14.24. Схемы нагружения, урав­новешивания и эпюры Q и М_нзг нор­мальной нервюры

Равнодействующая воздушной нагрузки на нервюру

(14.22)

где q_yв—значение погонной воздушной нагрузки (распреде­ленной по крылу) у рассматриваемой нервюры.

При расчете усиленных нервюр воздушная нагрузка учитывает­ся так же, как для нормальных. Но основными для них являются те нагрузки, для восприятия которых они специально поставлены: от узлов крепления (шасси, двигателей) или от силовых элементов крыла Нагрузки определяются с учетом того, как опи­раются эти конструкции на рассчитываемую нервюру.

При расчете нервюр нагрузка их массовыми силами собствен­ной конструкции обычно не учитывается.

Схема уравновешивания усиленной нервюры и передачи сил от нервюры на балку крыла показана на рис. 14.21.

Последовательность расчета является общей для нормальных и усиленных нервюр. Разберем ее на примере нормальной нервюры, на которую действует воздушная нагрузка ΔY_Н (см. рис. 14.24).

Все три участка нервюры соединены между собой, и она рас­сматривается как балка, опирающаяся по контуру на обшивку и стенки лонжеронов.

Нагрузка на нервюру рассматривается в виде силы ΔQ = ΔY_Н, приложенной в центре жесткости сечения балки крыла в том месте, где стоит нервюра, и вращающей ее относительно центра жесткости момента ΔМ_крут. Сила ΔQ и момент ΔМ_крут = ΔY_на пред­ставляют собой добавки к поперечной силе и крутящему моменту крыла, создаваемые нервюрой.

Уравновешивающие нервюру реактивные потоки касательных сил (см. рис. 14.24) определяются по формулам

. (14.23)

где ΔQ, — нагрузка на стенку i-го лонжерона от силы ΔQ; J_i, — момент инерции i-го лонжерона; F_K — суммарная площадь кон­туров носовой и межлонжеронной частей сечения.

Поток Δq_Мкрут в стенке переднего лонжерона и обшивке хвос­товой части сечения приближенно принимается равным нулю.

Для построения эпюр Q и М_изг нервюры нагружаем ее нагрузкой q_H от ΔY_Н, распределенной в соответствии с диаграммой распределения давления по хорде крыла.

Примерный вид эпюр Q и М_изг от q_H и реакций касательных сил приведен на рис. 14.24.

По значениям Q и М_изг проверяются на прочность стенка и пояса нервюры так же, как соответствующие элементы лонжерона.

ВОПРОСЫ

1. Какие элементы крыла являются силовыми?

2. Что называется кессоном крыла?

3. Опишите путь сил в силовой схеме крыла.

4. Опишите работу различных элементов крыла (лонжерон, стрингера, нервюр и обшивки)

5. Сформулируйте назначение обшивки, лонжеронов, стрингеров, нервюр и соединений.

6. Опишите распределение усилий в сечении крыла.

7. Опишите типовые силовые схемы крыла. Укажите особенности предельных силовых схем крыльев: лонжеронной и моно­блочной.

8. Опишите конструкции крыльев современных самолетов (на примере самолета Як-42).

9. Опишите особенности бипланной схемы крыла.

10. Опишите работу и расчет на прочность обшивки со стрингерным подкреплением.

11. Опишите работу и расчет на прочность двухпоясной балки.

12. Опишите работу и расчет на прочность балки с тонкой стенкой.

13. Опишите работу и расчет на прочность продольного набора и обшивки.

14. Опишите работу и расчет на прочность лонжеронов крыла.