1907

Балочный фюзеляж в отношении прочности подобен моноблочному крылу. Под воздействием распределённых и сосредоточенных сил конструкция фюзеляжа работает на поперечный изгиб и кручение. Передача внешних сил элементами конструкции осуществляется так: сосредоточенные силы прикладываются к шпангоутам, которые нагружают обшивку фюзеляжа касательными усилиями. Изгибающие моменты создают осевые усилия и нормальные напряжения в стрингерах и обшивке. Таким образом, как и в крыле, в фюзеляже стрингеры испытывают растяжение-сжатие от действия изгибающих моментов; нормальные шпангоуты, являясь опорами для стрингеров и обшивки, воспринимают местную аэродинамическую нагрузку, а усиленные шпангоуты передают на обшивку фюзеляжа местные сосредоточенные силы от частей самолёта, грузов, агрегатов. Они обязательно должны быть соединены с обшивкой.

Порядок определения напряжений в элементах фюзеляжа такой же, как и для крыла. Исходные данные для расчёта берутся с эпюр поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов. Расчёт фюзеляжа как тонкостенной балки проводится на изгиб и сдвиг в двух плоскостях и на кручение.

8.1. Проектировочный расчёт фюзеляжа

При проектировании конструкции фюзеляжа для грубой оценки потребных сечений основных продольных элементов и обшивки, можно производить расчёт по схеме двухпоясной балки, принимая в качестве поясов верхний и нижний своды сечения, а в качестве стенок – боковины. Тогда нормальные напряжения в сводах будут

М

НFСВ ,

80

где FСВ - потребная площадь редуцированного сечения свода;

Н - расстояние между центрами тяжести площадей сечения сводов

FСВ n fСТР FОБШ ,

где n - количество стрингеров в одном своде;

в - редукционный коэффициент, показываю-

щий, какая часть обшивки работает полноценно (в сжатой зоне

<1, а в растянутой - =1);

в - расстояние между стрингерами;

Этот расчёт позволяет в первом приближении определить сечения элементов.

Фюзеляжи большинства пассажирских самолётов имеют стрингерную конструкцию с шагом стрингеров 150 – 200 мм и с шагом шпангоутов 450 – 500 мм.

81

8.2. Определение напряжений в элементах конструкции фюзеляжа

Расчёт фюзеляжа на прочность заключается в определении напряжений в элементах конструкции от внешних нагрузок и сравнении их с разрушающими. Фюзеляж может разрушиться в результате общей потери устойчивости при изгибе, сжатии и кручении. Наиболее опасен в этом случае изгиб. Причиной потери устойчивости чаще всего оказывается недостаточная жёсткость шпангоутов. Для конструкции существует критическое значение изгибающего момента, превышение которого приводит к общей потере устойчивости и разрушению фюзеляжа. Критические напряжения общей потери устойчивости фюзеляжа кругового сечения определяются по формуле

КР 1,2 F IШ ,

R а

где IШ - момент инерции шпангоута с присоединённой обшивкой;

а- шаг шпангоутов;

- эквивалентная толщина обшивки.

Разрушающие напряжения стрингеров, работающих на сжатие, определяются критическими напряжениями общей или местной потери устойчивости. За критическое напряжение стрингера (в случае местной потери устойчивости) принимают критическое напряжение для наиболее слабого стрингера. Критические напряжения общей потери устойчивости в пределах упругости:

82

где а - расстояние между нервюрами;

I

i F - радиус инерции стрингера с присоединённой

обшивкой ( F и I - соответственно площадь сечения и момент инерции стрингера с присоединённой обшивкой);

с - коэффициент, зависящий от условий опирания стрингера ( с =1, когда стрингер свободно опёрт на нервюру и с=2, когда стрингер приторцован).

Нормальные напряжения от изгибающего момента М и

где I fОБШ ОБШ в ОБШ y2 - момент инерции

редуцированного сечения;

y - расстояние от нейтральной оси редуцированного сечения до стрингера;

f - площадь сечения стрингера;

в- расстояние между стрингерами;

ОБШ - толщина обшивки фюзеляжа.

83

Редукционный коэффициент обшивки для сжатой зоны определится формулой

где СТР - напряжение в стрингере;

Нормальные напряжения по вышеприведённой формуле можно определить методом последовательных приближений:

задаются в сжатой зоне напряжения стрингеров 0 , находят

ОБШ ,I , F , и, наконец, I . По полученным значениям

I уточняют ОБШ ,I, F и находят новое значение

II . Расчёт ведут до тех пор, пока напряжения двух последовательных приближений будут отличаться не более, чем на 5 %, что удовлетворяет требованиям точности расчётов в курсовом проекте.

Касательные напряжения можно определить как напряжения для замкнутой оболочки:

ОБШ

где S fCTP ОБШ в ОБШ ;

84

I - статический момент редуцированной части сечения;

S A sin - для кругового сечения фюзеляжа;

уравновешивается составляющей нормальных усилий, возникающих вследствие конусности фюзеляжа.

8.3. Расчёт шпангоутов

Нормальные шпангоуты в фюзеляже выполняют те же функции, что и нервюры в крыле. Основной деформацией для шпангоута является изгиб (растяжение-сжатие), в то время как для нервюры – сдвиг. Усиленные шпангоуты обеспечивают передачу на обшивку или другие элементы каркаса сосредоточенных сил от прикреплённых к ним грузов и агрегатов. Шпангоут представляет собой плоскую замкнутую раму клёпаной, штампованной или смешанной конструкции. В качестве поясов силовых шпангоутов применяются прессованные профили уголкового или таврового сечения. Стенки выполняются из листового материала и подкрепляются в радиальном направлении для повышения их жёсткости. Касательные усилия в обшивке, уравновешивающие нагрузку, действующую на шпангоут, определяются формулой

q PS , I

где Р - сила, действующая на шпангоут;

S и I - статический момент, и момент инерции редуцированного сечения фюзеляжа.

85

Расчёт шпангоута производится по методике рам. В общем случае шпангоут представляет трижды статически неопределимую раму. Неопределимость можно раскрыть методом сил. За счёт симметрии конструкции при прямой и обратной симметрии действующей нагрузки, задача становится дважды и единожды статически неопределимой.

Величины изгибающих моментов М , поперечных сил Q и

осевых сил N , возникающих в сечении кольца при различных случаях нагружения берутся из справочной

литературы. Имея эпюры М ,

Q и N , по формулам сопромата можно определить

напряжения в поясах и в стенке . Порядок расчёта усиленного шпангоута:

1.Вычерчивается в масштабе схема и на неё наносятся нагрузки.

2.Нагрузки шпангоута уравновешиваются реактивным потоком, действующим по наружному обводу.

3.Выбирается основная система.

4.Шпангоут разбивается на произвольные участки.

5.Определяются моменты инерции во всех сечениях шпангоута графоаналитическим методом, строится линия центров тяжести сечений.

6.Строятся эпюры от изгибающих моментов в основной и

единичной системах М f (q).

7. Вычисляются перемещения и определяются основные неизвестные, с помощью решения системы канонических уравнений.

8. Строятся эпюры М , Q и N по шпангоуту.

9. Вычисляются и во всех участках шпангоута.

86

9. РАСЧЁТ ОПЕРЕНИЯ

Рассмотренные принципы проектирования и расчёта конструкции крыла полностью применимы к конструированию и расчёту хвостового оперения. Стабилизатор и киль обычно представляют собой тонкостенные консольные балки, схемы которых аналогичны схемам крыла. Вдоль задней кромки стабилизирующей поверхности шарнирно подвешивается руль – многоопорная тонкостенная балка. Нагружение задней части стабилизатора и киля сосредоточенными силами в узлах навески рулей, отличает расчёт оперения от расчёта крыла. Распределённая нагрузка с обшивки руля передаётся на нервюры, а с нервюр в виде сосредоточенных сил и моментов на лонжерон руля, с которого передаются на кронштейны навески. От воздушной нагрузки и реакций опор руль работает на изгиб как многоопорная балка и на кручение – как балка, защемлённая в плоскости тяги.

9.1. Порядок расчёта оперения

По нормам прочности определяют воздушную нагрузку и закон её распределения по хорде и размаху. Строят эпюры погонных нагрузок для стабилизатора, киля и рулей. Для построения эпюр перерезывающих сил, изгибающих и крутящих моментов необходимо определить опорные реакции рулей.

Вслучае двухшарнирной подвески реакции в шарнирах определяются сразу из уравнений статики.

Вслучае трёхопорной подвески (многоопорной) реакции

R1,R2 ,R3 в опорах (рис. 28) определяются методом сравнения деформаций.

87

Рис. 28

Рассмотрим расчёт опорных реакций для оперения, схема которого представлена на рис. 29. Считается, что оперение абсолютно жёстко на кручение. Данная система статически неопределима.

Выбросив опору 3, превращают руль в двухопорную

балку, и, интегрируя эпюру tP (рис. 30), от до первой опоры и от 0 до первой опоры, получают эпюру

88

перерезывающих сил QPO для статически определимой

двухопорной балки. Величина PP (для руля) по первой опоре будет полной нагрузкой для руля (рис. 30,а). Интегрируя

полученную эпюру QPO от концов руля до первой опоры

(рис. 30,б), получают эпюру изгибающих моментов. Построение эпюр ведём также, как это делалось для крыла.

Разность моментов M (I) от сил tP над первой опорой (рис. 30,б) должна уравновешиваться реакцией R20 , создающей

момент, равный M (I) , т.е.

M (I) R20 1 2 0.

Рис. 29

89