19. Принципы конструирования. Определение, свойства и назначение.

Для того чтобы рационально спроектировать тот или иной элемент конструкции, необходимо четко представлять себе его место в общей конструктивно-силовой схеме и долю участия в работе конструкции, т. е. от какого элемента он воспринимает и на какой передает заданную нагрузку.

Существует ряд положений, обязательных при проектировании наивыгоднейших конструкций и не меняющихся с течением вре­мени (своего рода таблица умножения проектирования).

Рис1 Передача силы кратчайшим- Рис. 2.2-. Сочленение элементов узла:

путем а-неправильное; б — правильное

Рис. 2.3. Варианты расстановки раско- Рис. 2.4. Стойка с подкосом, служа- сов в ферме: а — раскос работает на растяжение; щим для восприятия осевых усилий

б — раскос работает на сжатие

1. Чтобы конструкция имела, наименьшую массу, необходимо при проектировании предусмотреть передачу силы по кратчай­шему пути и по возможности по прямой.

В качестве примера рассмотрим передачу силы из точки А в точку В (рис. 2.1). При использовании для передачи силы стержня АВ, работающего на растяжение, мы получаем конструк­цию минимальной массы (см. рис. 2.1, а). В конструкции, пред­ставленной на рис. 2.1, б, из-за помехи появляется дополнитель­ный элемент DC, работающий на изгиб. Масса этой .конструкции будет больше. Это объясняется тем, что при растяжении и чистом сжатии эпюра нормальных напряжений по сечению равномерная и стержень работает с полной загрузкой до σ_в. При изгибе наи­большие напряжения испытывают крайние волокна, наиболее удаленные от нейтральной оси. Все остальные элементы сечения недогружены, в результате масса конструкции получается больше.

Характерным примером неправильного конструктивного реше­ния является узел фермы, показанный на рис. 2.2, а. Силы, на­правленные по оси стержней фермы, будут уравновешиваться в случае пересечения их в точке О (рис. 2.2,6). При наличии эксцентриситета а на пояс фермы дополнительно действует изги­бающий момент, который может вызывать его преждевременное разрушение. Особенно сильно такое конструктивное решение понизит сопротивление усталости пояса фермы. В зоне действия дополнительного момента конструкция может преждевременно разрушаться при работе на повторные нагрузки, При передаче силы необходимо стремиться к тому, чтобы большинство длинных элементов работало на растяжение, а коротких — на сжатие.

На рис. 2.3, а, б показаны две фермы. В первом варианте на сжатие работают короткие стержни,стойки, длинные раскосы работают на растяжение. Во втором варианте на сжатие работают длинные стержни-раскосы. Так как при сжатии стержень может потерять устойчивость при σ_см< σ_в,то чем длиннее стержень, тем меньше его критическое напряжение, т. е. тем большим должно быть его сечение для увеличения радиуса инерции i = , где J — момент инерции сечения; F — площадь сече­ния, а следовательно, тем больше будет масса конструкции.

В качестве второго примера можно рассмотреть показанную на рис. 2.4 стойку шасси с подкосом. Если подкос поставлен в на­правлении b, он работает на растяжение, если в направлении с — на продольный изгиб. Очевидно, что в первом случае масса под­коса будет меньше.

2. Для уменьшения массы при проектировании конструкции надо стремиться к равнопрочности. Правильно спроектированная деталь (узел) должна разрушаться по всем сечениям при дости­жении действующей силой разрушающего значения. Например, у кронштейна (рис. 2.5) при достижении силой Р значения Р_р должны одновременно срезаться все болты, разорваться про­ушины по сечениям А—А, В—В и т. д.

Рис. 2.5. Равнопрочный кронштейн Рис. 2.6. Напряжения, возникающие

в балке, работающей на изгиб

3.При проектировании конструкции необходимо стремиться к равномерному предельному нагружению материала в сечении. Например, сечение элемента, работающего на поперечный изгиб (рис. 2.6), необходимо выполнять с максимальным удалением массы материала от нейтральной оси.

4.При проектировании конструкций необходимо стремиться к тому, чтобы все детали были работающими, чтобы по возмож­ности каждая деталь выполняла как можно больше функций. Необходимо использовать все свободные объемы. Например, кес­сон крыла на большинстве пассажирских самолетов используется одновременно как бак для топлива. В данном случае мы имеем двойное уменьшение массы как из-за отсутствия дополнительного бака, так и благодаря разгрузке крыла весом горючего. Герме­тические кабины на большинстве самолетов являются одновре­менно элементом фюзеляжа, работающим на все его нагрузки. Вставные кабины, работающие только на перепад давлений, значи­тельно увеличивают массу самолета. Силовой шпангоут крепления узла киля обычно стремятся использовать также для крепления узлов или оси стабилизатора; это также позволяет уменьшить массу.

При проектировании конструкции необходимо всегда четко представлять себе способ ее изготовления, стремясь к использо­ванию наиболее технологичных методов:

применять простейшие заготовки;

назначать минимальную чистоту обработки, необходимую для функционирования конструкции;

уменьшать число деталей;

не назначать чрезмерную точность изготовления там, где она не требуется по условиям работы конструкции, это значи­тельно снизит стоимость производства.