3. Выбор расстояния между нервюрами, исходя из условия восприятия изгибающего момента.

Расстояние между нервюрами целесообразно принимать из условия обеспечения устойчивости панели обшивки, подкрепленной стрингерами. Для получения панели минимальной массы при проектировочном расчете необходимо обеспечить условие

=

Где =, ΔZ – расстояние между нервюрами, - радиус инерции;

J_{стр+обш}- момент инерции стрингера с присоединенной обшивкой;

= , где b – наибольшее значение из величин, k – коэффициент , учитывающий опорные условия, для стенки со свободным краем К=0.45; δ – толщина лапки стрингера. Окончательно для прикидочных расчетов

4. Усиленные шпангоуты. Восприятие нагрузок, алгоритм выбора размеров из условия минимума массы.

Усиленные шпангоуты догружаются значительными сосредоточенными силами и моментами, которые они передают на обшивку. Их отличительная особенность – наличие непосредственной связи с обшивкой. Усиленные шпангоуты можно представить в виде трех конструктивных форм: рамных (рис. 5.9,а), глухих (со сплошной стенкой рис. 5.9 б), комбинированных (рамно-стержневых, стеночно-рамных, рис. 5.9,в).

Рис. 5.9, Основные силовые схемы усиленных шпангоутов.

Рамные шпангоуты - это обычно кольцевые шпангоуты, вос­принимающие нагрузки криволинейными поясами и стенкой. Глухие шпангоуты можно характеризовать как стержневые ферменные системы, у которых вместо отдельных стержней-раскосов имеются стенки. Их преимущество - частичное или полное устранение из­гиба при работе его элементов, так как в местах приложения сосредоточенных сил обычно стоят стержни, соединенные со стен­кой и воспринимающие растягивающую или сжимающую нагрузку Самыми легкими обычно являются глухие шпангоуты, самыми жесткими - комбинированные. Конструктивно рамные шпангоуты обычно выполняют в виде двухпоясной криволинейной балки с одной стенкой, подкрепленной стойками. При этом внутренний пояс иногда выполняют шире внеш­него, так как он не подкрепляется обшивкой от выпучивания из плоскости шпангоута. Наиболее выгодны по массе одностеночные кольцевые шпангоуты. В поперечном"сечении они имеют форму дву­тавра или швеллера. Глухие шпангоуты выполняют в виде пояса, идущего по контуру обшивки, стенки и присоединенных к ней стержней. Пояс имеет форму тав­рового или уголкового сечения с одной стенкой. В конструктивно-технологическом отношении усиленные шпан­гоуты делятся на монолитные и составные. Монолитные выполняют штамповкой или литьем с последующей механической или химиче­ской обработкой. Особо нагруженные шпангоута, например для крепления крыла, изготовляют штампованными. Иногда наиболее нагруженную темную часть выполняют монолитной, остальную - клепаной из отдельных элементов. В весовом отношении из рамных выгодны кольцевые шпангоуты с переменной строительной высотой, которую выполняют в местах приложения сосредоточенных сил, где величина изгибающего момента наибольшая. Прочность усиленных шпангоутов определяется главным образом большими сосредоточенными силами, действующими в их плоскости, например, при передаче нагрузок от крыла, оперения, шасси. верти­кальные силы N * приложенные к стойкам глухого шпангоута, пе­редаются от них к а стенку шпангоута в виде потока касательных q_ст .Стойки работают при этом на сжатие от потока:

(5.5)

где ℓ - длина стойки.

Под действием этих cил шпангоут стремится cместиться вниз, уравновешиваясь реакциями со стороны обшивки в виде по­тока касательных сил, определяемых по зависимости:

Стойки проверяют на местную и общую потерю устойчивости. Стенка шпангоута должна удовлетворять условию прочности на сдвиг от напряжений:

τ_ст=q_ст/δ_cт=N/ ℓ δ_cт≤τ_кр.ст.

Где τ_кр.ст - критические напряжения потери устойчивости стенки. Внешние нагрузки рамного видового шпангоута N , возникающие от изгиба крыла моментом М уравновешиваются внутренними усилиями шпангоута. Наибольшая величина изгибающего момента имеет место в точках приложения сосредоточенных сил N.

Максимальна здесь и поперечная нагрузка. Между стыковыми узлами она может быть выражена как Q_шп и N , Поэтому стенки шпангоута на этом участке выполняют большей толщины или под­крепляют усиленными стойками и ребрами. Усиленные шпангоуты, выполняемые методом фрезерования или сборкой, изготовляют также из этих сплавов, а штампованные — из сплавов Ак5, Акб, Ак8, особо нагруженные шпангоуты, несущие стыковые узлы крыла - полностью или частично термически обработанного хромансила. Выбор форм и размеров рамных шпангоутов, выбор сечений и форм поясов шпангоутов, толщины стен, шага стоек и их площадей поперечных сечений в первом приближении можно проводить аналогично методике определения парамет­ров поясов, стенки и стоек лонжерона. Кривизна поясов нѳзначительно влияет на проектировочные расчеты, особенно фюзеляжей больших диаметров. Вместе с тем оптимизация выбора форм и раз­меров шпангоутов на этапе проектирования имеет ряд особенно­стей. При этом строительную высоту поперечного сечения шпанго­ута следует считать искомой и выбирать из условия минимума массы. Оптимальные шпангоуты могут иметь переменные высоту и жесткость, так как эпюры нагрузок Мшп, Q_шп и N_шп переменны по периметру. Будем считать, что найдѳнше в справочной литературе или вычисленные по приближенным зависимостям внутренние усилия Мшп, Q_mn и N_шп для заданного расчетного случая нагружения шпангоута, соответствующие кольцевому шпангоуту постоян­ной высоты и жесткости, останутся прежними и у шпангоута постоянной высоты. Для нахождения оптимальных размеров высоты расчетного се­чения шпангоута h_opt соответствующих размеров полок, стен­ки и стоек используем весовое уравнение для элемента шпангоу­та длиной ∆ℓ:

где m_пол - масса полок; m_СТ - масса стенки и стоек. Если полки, стенка и стойки выполнены из одного материа­ла, достаточно ограничиться определением минимальной площади сечния:

где Fпол. Нар, Fпол. вн - площади поперечного сечения наруж­ной и внутренней полок шпангоута в расчетном сечении; F_CT -площадь стенки вместе с присоединенной площадью стоек. Полагая приближенно Fпол.нар= Fпол.вн=Fпол, запишем

Площадь полки определим из условия прочности

где h_ц.м - расстояние между центрами масс полок расчетного сечения шпангоута, приближенно равное 0,98h, σр - разрушающее напряжение полки шпангоута в сжатой зоне, вычисляемое для случая, когда определяющей формой потери устойчивости является местная потеря устойчивости;

Здесь К≈0,45 - коэффициент опорных условий полки шпангоута Е_с - секущий модуль упругости материала полки в упругопластической области; в, δ - ширина и толщина полки шпангоута швеллерной формы. Принимая во внимание, что F_nол ≈ вδ , соотношение запишем в виде

исключая из уравнений δ, получим:

Полагая К=0,45, определяя из диограммы «напряжения – деформация» (σ=ε) для материала Д16 секущий модуль, строим зависимость Задаваясь рядом значений h , находим hц._м = 0,98 h. Принимая значения ширины полки «в» по графику рис 5,12 опрделяем σр и по соотношению вычисляем площадь полок Fпол. Ширина полки шпангоута в первом приближении для однорядных швов соединения обшивки с полкой в - 18...22 мм, для двухрядных швов 6 > 30...40 мм. Для определения площади стенки и условной площади стоек яспользуѳм методику проектирования стенок лонжерона, не теряющих устойчивости.

Для расчетного значения перезевывающай силы Q_m и принимаемого ряда значений h находим интенсивность касательной загрузки Qшп/h² и по графикам - τ_прив. Тогда площадь Fст определяем по формуле

При невысоких интенсивностях нагрузок может оказаться, что стенки, подкрепленные стойками с шагом ℓ = 0,2 h , будут иметь толщину, меньшую допустимой по конструктивно-технологическим соображе­ниям. Тогда отношение t/h увеличиваем. Подставив соотношения (5.12) и (5.16). в (5.11), получаем

По полученной зависимости определяем оптимальную высоту h_опр Задавшись рядом значений h , находим по' (5.17) F_ceч и строим график F_ceч = f(h). Оптимальное значение h_opf соответствует Fсеч.min для принятого значени и найденно­го n_0pt вычисляем по (5.12) площади полок F_n0л и подбираем профиль. После выбора h_opt толщину стенки и размеры стоек оп­ределяем по методике, изложенной в разделе "Проектирование стенок нервюры".

Рассмотрим алгоритм выбора форм и размеров элементов рамных шпангоутов минимальной массы из алюми­ниевого сплава ДІбАТ, исходными данными которого являются нагрузки М , Q , воспринимаемые шпангоутоіів а также его диаметр Dф. По справочникам У или приближенным зависимостям, аналогичным (5.8),| находим внутренние усилия

Рис. 5.13. Расчетное сечение шпангоута

2. Принимаем, что внутренние и наружные полки одинаковы. По конструктивным соображениям задаем ширину полки «в» " 18...22 мм для однорядных и «в» = 30…40мм для двухрядных швов. Задаем параметрические ряд значений высоты h , начи­ная c величины

Вычисляем h _м = 0,98 h ,

5. Для каждого заданного значения г) вычисляем интенсивность нагрузки.

По графику рис. 5.12 определяем б_р , По зависимости (5.12) находим F_n8A .

Вычисляем интенсивность поперечных сил Q_Uin /h .

10. По соотношению (5.16) вычисляем F_CT