1. 2 Требования к объекту

1. Основным требованием к фюзеляжу, является выполнение им своего функционального назначения, при наименьшей массе конструкции фюзеляжа.

2. Неизменность геометрии в любых эксплуатационных условиях.

3. Минимальные затраты на производство и материалы.

4. Ресурс не менее 1,5 млн. летных часов.

5. Коэффициент безопасности f = 1,5.

6. Требования к прочности и жесткости конструкции

Среда работы конструкции:

- климатическая зона - умеренная;

- температура от –60 ⁰С до +60 ⁰С в нормальных условиях, в специальных от -60 ⁰С до +100 ⁰С;

- влажность до 100%;

1. 3 Материалы

При выборе материала конструкции необходимо учитывать целый ряд факторов: стоимость материала, возможность применения высокопроизво- дительных процессов обработки, однородность, неизменность механических свойств во всем возможном, при эксплуатации диапазоне температур, долговечность.

Однако наибольшее внимание при выборе материала должно уделяться обеспечению необходимой прочности и жесткости конструкции при наименьшей массе. Критерием, связывающим прочность и массу и позволяющим, следовательно, сравнивать различные материалы, является удельная прочность.

Чем выше значение удельной прочности, тем меньше масса детали. Критерием, связывающим жесткость и массу, является удельная жесткость - отношение модуля упругости к плотности Е/ρ.

На современном этапе развития дозвуковой авиации, алюминиевые сплавы, являются основными конструкционными материалами в самолетостроении. Материал для элементов фюзеляжа выбирается на основании главного требования ресурс — масса. Для них наиболее целесообразно применять сплав 1163Т, мало­чувствительный к концентрации напряжений и внутренним напря­жениям.

Вывод: температурные условия, позволяют использовать для всех элементов алюминиевый сплав 1163Т, который хорошо обрабатывается давлением и резанием, с высоким уровнем характеристик трещиностойкости, имеющего физико-механические характеристики: временное сопротивление (предел прочности) _в=420 МПа, предел текучести _0,2=380 МПа временное сопротивление сдвигу =240 МПа, модуль упругости Е = 71 гПа, плотность ρ = 2,78 г/см.

Материал конструкции выбран с учетом обеспечения необходимых,

прочностных и весовых данных, заданного ресурса, а также с учетом живучести изделия.

2 Техническое предложение

2.1 Конструктивно-силовая схема

По конструктивно-силовым признакам различают форменные и балочные фюзеляжи.

В настоящее время в авиации широко применяют балочные фюзеляжи. В зависимости от вида балочного фюзеляжа продольный набор может состоять из лонжеронов или стрингеров. Поперечный набор состоит из шпангоутов. Кроме того, имеются элементы вспомогательного назначения, к которым относятся детали для местного усиления основной конструкции, для установки грузов и оборудования. К вспомогательным элементам относятся также полы и различные перегородки.

Различают три разновидности балочных фюзеляжей: лонжеронный, стрингерный и обшивочный (или монококовый)

Лонжеронный балочный фюзеляж состоит из нескольких мощных лонжеронов, набора силовых и нормальных шпангоутов, а также относительно тонкой обшивки. В стрингерном балочном фюзеляже имеется набор часто расположенных стрингеров, набор шпангоутов (силовых и нормальных) и относительно тонкая обшивка. Обе эти разновидности балочного фюзеляжа при наличии толстой обшивки называют полумонокок, так как внешние силовые факторы воспринимаются продольными элементами совместно с обшивкой. Обшивочный фюзеляж (монокок) состоит из толстой обшивки, подкрепленной шпангоутами. Имеются также местные продольные элементы. Основные силовые факторы в таком случае воспринимаются только обшивкой.

Стрингерные фюзеляжи наиболее широко распространены на современных самолетах различного назначения. Выполняют их в виде тонкостенной подкрепленной оболочки. Стрингерный фюзеляж имеет большие внутренние свободные объемы и допускает хорошее их использование, конструкция обладает повышенной живучестью. Недостатком стрингерного фюзеляжа является то, что вырезы под двери, люки, иллюминаторы нарушают целостность основных силовых элементов и, следовательно, ослабляют конструкцию. Для усиления вырезов применяется более толстая обшивка (по их краям), местные лонжероны и усиленные стрингеры, рамы и др.

Прочность обшивочного фюзеляжа (монокока) в сжатых зонах определяется критическими напряжениями потери устойчивости обшивки, для увеличения которых приходится увеличивать толщину обшивки, а, следовательно, и массу всей конструкции. Поэтому такой фюзеляж применительно к тяжелым самолетам оказывается невыгодным.

Все типы фюзеляжей имеют свои достоинства и недостатки; поэтому на некоторых самолетах применяют фюзеляжи смешанной конструкции.

Наиболее рациональной конструкцией, способной воспринимать все перечисленные выше нагрузки при минимальной собственной массе, является тонкостенная пространственная оболочка, подкрепленная изнутри силовым каркасом. Рациональность такой оболочки, обеспечивается полноценным использованием ее работающей обшивки, как при восприятии местной аэродинамической нагрузки, внутреннего избыточного давления, так и в общей силовой работе. Каркасированная оболочка, наилучшим образом удовлетворяет и требованиям удобства компоновки, обеспечения технологической простоты, а также живучести и эксплуатационной технологичности. С точки зрения силовой работы такая оболочка рассматривается как пространственная балка, вследствие чего силовую схему подобных фюзеляжей принято называть балочной.

Крутящий момент, полностью воспринимается обшивкой. Поток касательных усилий в этом случае равномерно распределен по периметру оболочки.

Тип фюзеляжа – полумонокок, со стрингерным набором, представленный на рисунке 3.

Рисунок 3 – Тип фюзеляжа - полумонокок

Основными силовыми элементами фюзеляжа являются шпангоуты, стрингеры, обшивка.

Рисунок 4 – Расположение основных элементов

Рисунок 5 – Схема набора элементов

Шпангоуты составляют поперечный силовой набор фюзеляжа. Часть из них является силовыми (усиленными), большинство же является нормальными (или типовыми). Силовые шпангоуты обеспечивают передачу больших сосредоточенных сил и моментов (от крыла) на обшивку в виде потоков касательных усилий. Следовательно, они обязательно должны иметь хорошую силовую связь с обшивкой.

Нормальные шпангоуты придают заданную форму поперечного сечения фюзеляжу и подкрепляют обшивку. Их шаг выбирается с расчетом наиболее эффективной работы обшивки и лежит в пределах 150-500 мм.

Нормальные шпангоуты состоят из обода, изготовленного из прессованного профиля, выполненные из алюминиевого листа 1163Т. Шпангоуты гермокабины имеют поперечные балки образующие вместе с продольными балками каркас, на который опирается настил пола. Шпангоуты зоны багажных помещений имеют в нижней части диафрагмы, на которые опирается настил пола багажных помещений. Наиболее нагруженные шпангоуты - силовые во избежание ослабления таких вырезов не имеют.

Рисунок 6 – Схема силовых шпангоутов

Рисунок 7 – Схема нормальных шпангоутов

Рисунок 8 – Схема стыковых шпангоутов

Стрингеры совместно с обшивкой воспринимают усилия от изгибающего момента, работая при этом на растяжение или сжатие, а также от воздушных нагрузок, которые передаются на них с обшивки. Кроме того, стрингеры подкрепляют обшивку при работе ее на сжатие. Стрингеры выполнены из прессованных профилей сплава 1163Т. Сечение стрингеров уголковое. Размер сечения стрингера зависит от величины нагрузки, действующей на фюзеляж в месте его расположения.

Рисунок – 9 Схема сечения стрингеров

а – прессованные профили; б – гнутые профили.

Обшивка воспринимает усилия от изгибающего момента (вместе со стрингерами), поперечной силы, крутящего момента, избыточного давления в гермокабине, а также воздушные нагрузки, передавая их на шпангоуты и стрингеры.

Обшивка крепится к шпангоутам и стрингерам потайными заклепками. Продольные стыки листов обшивки расположены на стрингерах и осуществлены внахлестку, поперечные стыки выполнены встык на шпангоутах или между ними. К шпангоутам обшивка крепится посредством компенсаторов.

Рисунок 10 – Схема крепления центроплана с крылом

Конструкция пола состоит из продольных и поперечных балок, образующих каркас пола, и уложенных на этот каркас, как на опоры, панелей пола. Поперечные балки как правило двутаврового сечения из прессованных профилей. Они опираются на шпангоуты. Как правило, для транспортных самолетов поперечные балки подпираются продольными балками. Конструкция пола представлена на рисунке 9.

Рисунок 11 – Конструкция пола

Вырезы под двери, окна, люки, нарушают замкнутость контура оболочки фюзеляжа и резко снижают ее крутильную и изгибную жесткость и прочность. Компенсировать эти потери можно путем создания по контуру выреза достаточно жесткой рамной окантовки. При малых размерах выреза такая окантовка создается в виде монолитной конструкции, получаемой штамповкой из листа или другими способами изготовления.

Рисунок 12 – Вырезы под иллюминаторы