69. Стыковые соединения моноблочных и кессонных крыльев с фюзеляжем

Для лонжеронных крыльев характерно, что ответные узлы фюзеляжа обычно устанавливаются на его силовых шпан­гоутах, следовательно, они осуществляют, помимо передачи осе­вых сил от изгибающего момента, передачу на фюзеляж попереч­ных сил. Большинство самолетов, имеющих моноблочную или кессонную конструкцию крыла, выполняют или по схеме низко­плана, или высокоплана. Это объясняется тем, что из компоновоч­ных соображений кессон трудно пропустить через фюзеляж. По­этому центроплан (а иногда все крыло) самолета выполняется отдельно от фюзеляжа и соединяется с ним только при сборке. В связи с изложенным очевидно, что для передачи на фюзеляж поперечных сил, возникающих от перерезывающей силы и крутя­щего момента, действующих на крыло, нужно обеспечить жесткую связь центроплана с фюзеляжем. Кроме этого для стреловидного в плане крыла на фюзеляж должны быть переданы поперечные силы, возникающие в результате излома в зоне стыка поперечного набора у борта фюзеляжа. Для этого на фюзеляж центроплана крыла у борта должна быть установлена мощная бортовая нервюра (вне зависимости от того, имеется ли там стыковое соединение

Рис. 8.37. Соединение кессон­ного крыла с фюзеляжем:

а — стык крыла со шпангоутами при снятой обшивке фюзеляжа; 6 — внешний стык крыла со шпангоутом при защитой обшивкой фюзеляже

панелей и лонжеронов). Ее назначение — собрать с панелей крыла распреде­ленные касательные уси­лия от крутящего момента, а также воспринять со­ставляющую от изгиба (при изломе набора) и трансформировать их в па­ру поперечных сил (для двухлонжеронного крыла) или в несколько попе­речных сил (для много-лонжеронных крыльев), приложенных в зоне сты­ка к стенкам лонжеронов. Поэтому нервюра должна быть способна воспринять и сработать на изгиб и срез от всех указанных нагрузок. Стык пояса и стенки нервюры с лонжеронами должен быть рассчитан на все виды передаваемых нервюрой нагрузок. На рис. 8.37, а приведены типовые узлы, связывающие кессон трехлонжеронного крыла с фюзеляжем. Узлы установлены на лонжеронах крыла и жестко соединяются при сборке со шпанго­утами фюзеляжа болтами. В представленной конструкции после крепления узлов к шпангоутам фюзеляжа, верхняя обшивка последнего прикрепляется к центроплану по предусмотренному на нем поперечному элементу. Обшивка фюзеляжа в его нижней части крепится к профилям, связанным с передней и задней стенками кессона. Такой стык достаточно сложен и практи­чески исключает быструю замену крыла при его повреждении. На рис. 8.37, 6 показан стык, допускающий более простую установку крыла, а также дана силовая завязка стыкового узла с лонжероном. В этом соединении стыковой узел крепится к шпан­гоуту фюзеляжа поверх его собранной конструкции и только сверху закрывается «зализом». Силовая увязка узла с лонжероном выполнена следующим образом. Узел устанавливается на тавро­вый лонжерон на болтах. Эти же болты соединены с П-образными фитингами, расположенными между поясами лонжеронов. Фи­тинги соединены с ножками поясов специальными ушками и по всей высоте прикреплены к стенке лонжерона. Под фитинги подведены дополнительные накладки, усиливающие стенку лонжерона в зоне передачи нагрузок на фитинг и уравнивающие высоту стенки с высотой ножки пояса в месте подхода фитинга. По мере восприятия нагрузки со стенки ребра фитинга увеличи­ваются по сечению, имея максимальное значение около болтов кронштейна. У нижнего пояса лонжерона сечение ребер сводится к нулю. Бортовая нервюра центроплана устанавливается вплот­ную с фитингом, передавая на стенку лонжерона все поперечные нагрузки, которые должен воспринять фюзеляж.

70.

ФЮЗЕЛЯЖИ БАЛОЧНОЙ СХЕМЫ

Различают три конструктивные схемы балочных фюзеляжей:

— балочно-лонжеронная с мощными лонжеронами, слабыми стрин­герами, шпангоутами и тонкой обшивкой, работающей на сдвиг от попе­речных сил и крутящего момента;

— балочно-стрингерная с работающей обшивкой, с развитой сетью стрингеров одинакового сечения и шпангоутами;

— балочно-обшивочная с толстой обшивкой, подкрепленной только шпангоутами.

Приведем несколько типовых фюзеляжей балочной конструкции.

Балочно-лонжеронные фюзеляжи были разработаны первоначаль­но для самолетов с одним поршневым двигателем, расположенным, в но­совой части фюзеляжа. Наличие лонжеронов в верхнем и нижнем сво­дах сечения фюзеляжа позволило создать рациональную конструкцию фюзеляжа. Такая конструкция фюзеляжа оказалась применимой и для самолетов с турбореактивными двигателями, расположенными внутри хвостовой части фюзеляжа.

На рис. 4.6 приведена типовая конструкция балочно-лонжеронного фюзеляжа, состоящая из четырех лонжеронов 1, нескольких стринге­ров 2, усиленных 3 и нормальных 4 шпангоутов.

В некоторых балочно-лонжеронных фюзеляжах устанавливаются продольные бимсы (балки) для местного усиления конструкции. Напри­мер, такие бимсы имеются на днище лодки гидросамолета и на днище грузовых отсеков фюзеляжа транспортных самолетов. Кроме того, боль­шие вырезы в фюзеляже также требуют местного усиления в виде мощ­ных продольных бимсов (рис. 4.7).

Балочно-лонжеронный фюзеляж рассчитывается на прочность так же, как лонжеронное крыло.

Приведем такой расчет для сечения, расположенного в хвостовой части фюзеляжа. В общем случае это сечение будет нагружаться сле­дующими силами и моментами:

—изгибающим моментом от вертикальных нагрузок на горизонталь­ное оперение ;

—поперечной силой от вертикальных нагрузок на горизонтальное оперение (Q_B);

—изгибающим моментом от горизонтальных нагрузок на верти-кальное оперение ;

—поперечной силой от горизонтальных нагрузок на вертикальное оперение (Q_r);

—крутящим моментом от горизонтальной нагрузки на вертикаль­ное оперение и от несимметричной нагрузки на горизонтальное опере­ние

Схема нагружения хвостовой части фюзеляжа в рассматриваемом сечении при изгибе от вертикальных и горизонтальных нагрузок приведена на рис. 4.8. Принимаем, что возникающие на фюзеляже изгибаю­щие моменты воспринимаются только его лонжеронами, в которых появ­ляются осевые силы

При изгибе в вертикальной плоскости осевые силы в лонжероне

при изгибе в горизонтальной плоскости.

Здесь —плечи осевых сил в лонжеронах.

Растягивающие и сжимающие напряжения в лонжеронах

где — площади сечений растянутого и сжатого лонжеронов.

Сопоставление полученных действующих напряжений в лонжеро­нах с пределом прочности на растяжение материала лонжерона и е его критическим напряжением на сжатие позволяет оценить прочность и устойчивость лонжеронов.

Очевидно, что напряжения в лонжероне должны удовлетворять сле­дующим условиям прочности:

Критическое напряжение общей потери устойчивости лонжерона оп­ределяется по графикам —гибкость лонжерона, I — шаг шпангоутов, i — радиус инерции сечения лонжерона.

Кроме этого, необходимо проверить лонжерон на местную потерю устойчивости.

Рис. 4.8. Схемы нагрузок, действующих на хвостовую часть балочно-лонжеронного фюзеляжа

а - от горизонтального оперения; б - от вертикального оперения

Сдвиг и кручение воспринимаются обшивкой, подкрепленной лон­жеронами, стрингерами и шпангоутами. Так, например, сдвиг от верти­кальных поперечных сил Q_B воспринимается в основном боковыми па­нелями на базе (см. рис. 4. 8, а), при этом касательные напряжения в обшивке

где — площадь сечения панели;

— толщина обшивки панели. Полученные действующие напряжения должны удовлетворять ус­ловию

где — разрушающие касательные напряжения сдвига (15—18 кГ/мм² для алюминиевых сплавов).

Действующие напряжения сдвига от горизонтальной нагрузки Q_r (см. рис. 4.8,6), возникающие в верхнем и нижнем сводах или панелях .обшивки,

где В_л — ширина свода.

К касательному напряжению необходимо добавить касательное напряжение в обшивке от кручения, вызванного силой на плече

Здесь F₀ — площадь сечения, ограниченная средней (или наруж­ной) линией контура.

В результате совместного действия изгиба и кручения в одной из панелей напряжение т_кр суммируется с касательными напряжениями от изгиба а в другом — вычитается (см. рис. 4.8,6).

Для результирующего касательного напряжения условия прочности имеют вид

Балочно-стрингерные фюзеляжи получили наибольшее распростра­нение на современных самолетах (рис. 4.10). Отсеки в таких фюзеляжах герметизированы, за исключением хвостовой части. Наличие эксплуа­тационного разъема обеспечивает возможность раздельного изготовле­ния герметизированного и негерметизированного отсеков с последую­щей стыковкой их между собой.

Нормальные шпангоуты отштампованы из листов имеют 2-образнос сечение. Усиленные шпангоуты имеют узлы для крепления крыла, оперения и передней ноги шасси. Каждый шпангоут герметичного отсека имеет поперечную горизонтальную балку, которая служит опорой для пола кабины.

Стрингеры представляют собой прессованные профили уголкового сечения, а в нижней части фюзеляжа — частично таврового сечения.

Обшивка крепится к стрингерам и шпангоутам заклепками, при­чем в герметическом отсеке фюзеляжа — на уплотняющей ленте, про­ложенной между склепываемыми элементами. Помимо этого, изнутри фюзеляжа на заклепочные швы наносится слой герметика.

В балочных фюзеляжах очень важно сосредоточенные нагрузки передать на обшивку в виде распределенной по ней нагрузки. В этом случае в балочно-стрикгерных фюзеляжах значительно повышаются характеристики усталостной прочности материала. Конструкция фюзе­ляжа разработана с учетом панельной сборки и широкого применения прессовой клепки.

Лонжероны центроплана несут на себе узлы для соединения с уси­ленными шпангоутами фюзеляжа (см. рис. 10,/).

Герметический отсек фюзеляжа оканчивается сферическим днищем, хорошо воспринимающим избыточное давление при полетах на эксплуа­тационных высотах. Широко применяется членение фюзеляжей балочно-стрингерной конструкции на панели. В местах стыка панелей ставятся усиленные стрингеры (рис. 4.11), для которых широко используются прессованные профили таврового сечения. Кроме того, усиленные стрин­геры ставятся в местах расположения стыковых узлов и вырезов в об­шивке для смотровых окон, дверей и люков.

Хвостовая часть фюзеляжа балочно-стрингерной конструкции состо­ит из нормальных и усиленных стрингеров и шпангоутов (рис. 4.12). Лонжерон киля крепится к наклонному усиленному шпангоуту 6, рас­положенному в плоскости лонжерона киля. Это соединение позволяет передавать усилия, возникающие в поясах лонжерона киля непосредст­венно на наклонный шпангоут, а с него — на обшивку фюзеляжа. Если исключить наклонный шпангоут 6, необходимо ставить усиленный вер­тикальный шпангоут АВ и мощную горизонтальную балку АС, которые воспринимали бы на себя составляющие усилия S, как это видно

из схемы на рис. 4.12.

Напряжения и деформации в конструктивных элементах балочно-стрингерного фюзеляжа зависят от характера действия и способов при­ложения внешних нагрузок.

Обычно изгибающий момент в вертикальной плоскости восприни­мается стрингерами и обшивкой, расположенными в верхней и нижней зоне сечения, вызывая в них растяжение и сжатие (рис. 4.13).

В стрингерах и обшивке, расположенных вблизи нейтральной оси сечения фюзеляжа, напряжения от изгиба малы. Пренебрегая ими, мож­но принять для приближенного расчета, что парные силы 5 с плечом 2/ЗЯ нагружают верхний и нижний своды, состоящие из стрингеров и обшивки (здесь —расстояние между центрами тяжести сводов).

Высота свода для эллиптических и круглых сечений фюзеляжа состав­ляет примерно

Тогда для растянутого свода напряжение и условия прочности

где —площадь сечения сеодэ;

— площадь одного стрингера, обшивки;

— число стрингеров свода. Для сжатого свода сечения

где —действующее напряжение в стрингере и максимальное напряжение в обшивке;

— приведенная (редуциронанная) площадь сечения свода;

— редукционный коэффициент обшивки, учитывающий потерю устойчивости обшивки —толщина обшивки; —шаг стрингера);

— плошадь обшивки на шаге b стрингера

— критическое напряжение стрингера.

Сдвиг и кручение воспринимает обшивка, подкрепленная стринге­рами и шпангоутами.

При сдвиге в вертикальной плоскости касательные напряжения в боковых панелях, воспринимающих поперечные вертикальные силы Q_B,

где — размеры панели.

При сдвиге в горизонтальной плоскости касательные напряжения в

верхнем и нижнем сводах или панелях обшивки от поперечных горизон­тальных сил

где В — ширина сводов или панелей (для круглых сечений фюзеляжа

— диаметр сечения).

Касательные напряжения в обшивке от кручения и суммарные на­пряжения от сдвига и кручения определяются так же, как и для балочнолонжеронных фюзеляжей.

Балочно-обшивочный фюзеляж состоит из толстой обшивки, нор­мальных и усиленных шпангоутов.

В рассматриваемой конструкции фюзеляжа обшивка воспринимает все виды нагрузок, действующих на фюзеляж. В целях повышения устойчивости обшивки на сжатие и сдвиг обычно ее толщину увеличи­вают, что ведет к увеличению веса конструкции. Применение многослой­ной обшивки 'С заполнителем повышает ее устойчивость, а следователь­но, и критические напряжения в ней (рис. 4.14).

Рис. 4. 14. Балочно-обшивочная кон­струкция отсека фюзеляжа с много­слойной обшивкой л заполнителем:

/—заполнитель; 2—тонкая обшивка; 3—шпан­гоут

Н а некоторых самолетах встречаются фюзеляжи смешанных конст­руктивных схем, представляющие собой сочетание, например, балочно-обшивочной и балочно-стринтерной схем. На рис. 4.15 изображен фюзе­ляж, у которого носовой отсек имеет балочно-обшивочную конструкцию с толстой обшивкой до кабины летчика, а вся остальная часть фюзе­ляжа — балочно-стрингерную конструкцию. Осмотр и обслуживание двигателя осуществляется через большой люк, занимающий около одной трети периметра сечения фюзеляжа между шпангоутами 2—4 и закрываемый легкосъем­ной крышкой. Передний люк (между шпангоутами / и 2) слу­жит для осмотра и обслуживания баков и трубопроводов топливной системы.

Основным силовым шпангоу­том фюзеляжа является шпан­гоут 2, несущий на себе передние узлы крепления крыла. Задние узлы крепления крыла располо­жены на шпангоуте 3.

Толщина обшивки балочно-обшивочного фюзеляжа определяется так же, как и для балочно-стрингерного фюзеляжа.

71.