книги из ГПНТБ / Конструкция летательных аппаратов учебник

расчете отсеков баков надо учитывать силы от наддува и от дав­ ления столба жидкости (см. фиг. 6.4) [1].

Поперечные нагрузки возникают от действия управляющих сил и сил инерции при движении ракеты по траектории, а также при возвращении на заданную траекторию после случайного от­ клонения от нее.

Аэродинамические нагрузки как продольные, так и радиаль­ ные могут также играть заметную роль, особенно при движении ракеты в достаточно плотных слоях атмосферы при больших скоростных напорах.

143. При выявлении величин силовых факторов в сечениях фюзеляжа его можно рассматривать как балку, опирающуюся на узлы крепления к крылу.

Построение эпюр фюзеляжа производится для ряда расчет­ ных случаев. Затем выбираются наиболее тяжелые случаи нагру­ жения фюзеляжа или его частей, на которые и производится рас­ чет.

Иногда в результате уравновешивания становится очевид­ ным, что для расчета одних частей фюзеляжа будут опасными одни случаи, а для расчета других частей и отдельных узлов — другие. При этом в соответствующих расчетных случаях эпюры можно строить лишь для отдельных частей фюзеляжа (например, для хвостовой, средней или носовой).

Обычно по изгибу фюзеляжа наиболее опасным является рас­ четный случай полета А' при <7шахт« и лтах (без учета манев­ ренной нагрузки горизонтального оперения, поскольку она в рас­ четном случае А' вычитается из уравновешивающей). По кру­ чению расчетным обычно является случай действия маневренной нагрузки на вертикальное и несимметричной — на горизонталь­ ное оперение. В некоторых случаях для упрощения можно пре­ небрегать массовыми силами конструкции, если они достаточно малы и действуют в сторону разгрузки.

На фиг. 6.4 показан характер эпюры осевых сил для летатель­ ного аппарата с большой тяговооруженностью Ядв/(3.

144. На поверхность фюзеляжа действуют также и распреде­ ленные аэродинамические силы, величина которых на отдель­ ных участках может достигать 7000 дан/м2 (кг/м2) и более. В отличие от крыла в фюзеляже эти нагрузки, как правило, не ока­ зывают влияния на общую прочность конструкции в силу самоуравновешенности в поперечных сечениях. Однако они совместно с силами внутреннего давления (или разрежения) могут дости­ гать величин 10000 дан/м2 (кг/м2) и более и оказаться расчет­ ными при проверке местной прочности и жесткости отдельных участков конструкции (герметические отсеки, отсеки топливных баков или участки воздухоподводящих каналов двигателей, крышек люков и их замков крепления, остекление кабин и т. д.).

140

Распределение давления на поверхности фюзеляжа надо знать также для правильного размещения выводов дренажных трубок. В условиях эксплуатации необходимо тщательно следить за всеми вышеупомянутыми элементами конструкции.

§ 6.3 КОНСТРУКЦИЯ и РАБОТА ФЮЗЕЛЯЖА И ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ

Из рассмотренной картины нагружения видим, что в попе­ речных сечениях фюзеляжа, так же как и в сечениях крыла, возникают поперечные силы, изгибающие и крутящие моменты. Это обусловливает аналогию силовых схем фюзеляжа и крыла, а также назначения отдельных элементов их конструкции (фиг. 6.8). Различия в назначениях крыла и фюзеляжа объясняют разницу их конструктивного выполнения, на которой мы в ос­ новном и остановимся.

Работающая одшиока Стрингеры

■Диафрагмы

'Вертикальные стенки

Фиг. 6.8

145.В развитии конструкции фюзеляжа, так же как и крыла,

всвязи с увеличением скоростей полета и увеличением расчет­ ной толщины обшивки характерен переход к силовой схеме мо­

ноблочного типа, которая получила название стрингерного фюзе­ ляжа. Стрингерный фюзеляж выполняется в виде тонкостенной оболочки, подкрепленной стрингерами и шпангоутами (фиг. 6.9).

141

В этой конструкции жесткая обшивка совместно с элементами каркаса включена в работу общей силовой схемы фюзеляжа. Мак­ симальное (в пределах необходимых габаритов) удаление от про­ дольной оси материала, работающего при изгибе и кручении, обе­ спечивает передачу всех нагрузок фюзеляжа при достаточно вы­ сокой жесткости и весовой выгодности. Кроме того, стрингерный фюзеляж обеспечивает значительные внутренние объемы, сво­ бодные для размещения «начинки» самолета. Это особенно важ­ но для скоростных аппаратов, в тонких крыльях которых невоз­ можно поместить большие грузы. Назначение, работа и конст­ рукция элементов такого фюзеляжа во многом аналогичны со­ ответствующим элементам 'конструкции моноблочного крыла.

Однако в отличие от крыла в конструкции фюзеляжа тол­ щина обшивки и сечения стрингеров применяются меньшими, так как, во-первых, действуют меньшие, чем на крыло, воздуш­ ные нагрузки и, во-вторых, строительная высота фюзеляжа на­ много больше. Кроме того, поскольку горизонтальные нагрузки на фюзеляж одного порядка с вертикальными, боковины обшивки подкрепляются стрингерами так же, как верхний и нижний сво­ ды.

Логичным развитием стрингерного фюзеляжа является сило­ вая схема, получившая название «монокок» (или обшивочная конструкция). Фюзеляж типа монокок образован толстой обшив­ кой, воспринимающей все силовые факторы (поперечные силы, изгибающий и крутящий моменты). Обшивка может быть под­ креплена нормальными шпангоутами для сохранения формы по­ перечного сечения. В случае достаточно толстой обшивки (напри­ мер, слоистой) нормальные шпангоуты часто оказываются из­ лишними.

146. Однако в виде сплошной оболочки фюзеляжи обычно не встречаются. В них, как правило делают монтажные и эксплуа­ тационные вырезы. Снижение прочности и жесткости оболочки вырезами приходится компенсировать путем окантовки их ра­ мами или установки дополнительных усиленных стрингеров и шпангоутов. Кроме того, для передачи больших сосредоточенных сил от других агрегатов самолета на обшивку фюзеляжа ставят усиленные шпангоуты (для передачи поперечных сил) и стрин­ геры (для передачи продольных сил) (фиг. 6.10). При этом си­ ловая схема фюзеляжа существенно видоизменяется, особенно при наличии вырезов на значительной длине. В последнем случае по продольным сторонам выреза ставят усиленные стрингеры, которые располагаются на участках вырезов и продолжаются на замкнутых участках фюзеляжа вплоть до полного включения обшивки и нормальных 'стрингеров в работу от продольных сил. Усиленные стрингеры по своей работе в основном анало­ гичны полкам лонжеронов крыла. Однако разница заключается в том, что полка лонжерона при сжатии опирается в двух взаим­ но перпендикулярных плоскостях на обшивку и стенку лонжеро-

142

на, и поэтому общая (между нервюрами) потеря устойчивости для него невозможна, а усиленный стрингер опирается только на обшивку, и для него возможно выпучивание в направлении по нормали к ней. Это обстоятельство накладывает свой отпечаток на конструкцию усиленных стрингеров, которые так же, как и нормальные стрингеры, должны обладать высокой не только местной, но и общей устойчивостью в направлении по нормали к обшивке (фиг. 6.11).

Фиг, 6.10

Фиг. 6.11

147. Конструкция и работа фюзеляжа без вырезов в опреде­ ленной степени аналогичны работе моноблочного крыла. Счи­ таем, что имеющиеся малые вырезы, а также вырезы, закрытые крышками на шурупах (замках), полностью компенсированы и не оказывают влияния на работу общей силовой схемы фюзе­ ляжа.

143

В начале нагружения фюзеляж работает как балка с лш нейным распределением нормальных напряжений поперечных сечениях. При возрастании нагрузки теряет устойчивость об­ шивка от сдвига или от сжатия, что не означает еще разруше­ ния фюзеляжа, ибо его несущая способность сохраняется за счет сохранения формы стрингерами и шпангоутами. Разруше­ ние конструкции характеризуется разрушением нормальных

Верхний сбод

стрингеров вместе с обшивкой от потери устойчивости при сжа­ тии или только обшивки от сдвига. Если, помимо нормальных стрингеров, имеются еще достаточно мощные усиленные, то за счет сохранения ими работоспособности нагрузка может возра­ стать дальше вплоть до их разрушения. Возможно также (осо­ бенно в крупных фюзеляжах, а также в стальных корпусах ра­ кет) разрушение в результате общей потери устойчивости об­

шивки совместно со всеми подкрепляющими ее элементами. В некоторых случаях разрушение фюзеляжа может произойти вследствие разрыва растянутых элементов. При нагрузках, близких к разрушающим, на которые ведется расчет прочности, фюзеляж работает как балка с нелинейным распределением нормальных напряжений.

148. В стрингерном фюзеляже изгибающий момент в верти кальной плоскости воспринимается в основном осевыми силами в верхнем и нижнем сводах; изгибающий момент в горизон­ тальной плоскости — осевыми силами в боковинах. При этом своды и боковины выполняют роль поясов двухпоясной балки. Вертикальная и горизонтальная поперечные силы уравновеши­ ваются в основном сдвигом обшивки соответственно боковин и сводов, которые выполняют роль стенки балки (фиг. 6.12).

144

Приближенно осевые силы в сводах и боковинах от расчет­ ного изгибающего момента можно подсчитать по формуле

м

Я =

н,раб

асреднее нормальное напряжение в соответствующей панели

действия горизонтальной или вертикальной сил приближенно будет

Q

грузке на хвостовое оперение действуют одновременно все пять указанных силовых факторов.

При нагружении фюзеляжа крутящим моментом возникают погонные касательные усилия

Ям„

М*

2FK

где FK — площадь, окруженная контуром поперечного сечения фюзеляжа.

Суммарная величина погонных касательных усилий будет

Я — ЯQтах + ЯКк-

При нагружении фюзеляжа, например, силой Р„.0 наибольший сдвиг будет в верхнем своде обшивки фюзеляжа (фиг. 6.13).

Касательные напряжения в обшивке определяются по фор­ муле

_ _ Я

Зоб '

149.Работа и конструкция обшивки (в частности слоистой)

истрингеров фюзеляжа ничем принципиально не отличаются

Фиг. 6.14

146

151. При нагрузках фюзеляжа, близких к эксплуатационным, допускается выпучивание обшивки как от сжатия, так и от сдвига. В силу наличия кривизны в поперечных сечениях фюзе­ ляжа под действием натяжения обшивки (вследствие потери ею

Стринги

\Шпангоут'

111ШПШШ1ШПТП111

г д е

—наибольшая сплющивающая шпангоут погонная сила в точке C(y=R);

а— расстояние между нормальными шпангоутами;

b

— приведенная толщина обшивки совместно со стрингерами (b — расстояние между стрингерами; <р — редукционный коэффициент обшивки по отношению к стрингеру).

(

2

Фиг. 6.17

На небольших самолетах нормальные шпангоуты, как прави­ ло, не рассчитываются, а выбираются из конструктивных сообра­ жений. На крупных летательных аппаратах, с экономным в ве­ совом отношении каркасом, нормальные шпангоуты необходимо рассчитывать.

153. Общая устойчивость фюзеляжа (корпуса ракеты). Фю­ зеляжи летательных аппаратов могут разрушаться в результате общей потери устойчивости, которая характеризуется выпучива­ нием всей системы обшивки совместно с подкрепляющим ее кар­ касом (шпангоуты и стрингеры). От действия изгибающего мо-

148

мента возможны два случая общей потери устойчивости стрин­ герного фюзеляжа.

Первая изгибная форма потери устойчивости заключается в

сту оиз, а следовательно, к увеличению искривления оси. Это всвою очередь приводит к увеличению сплющивания поперечных сече­ ний. Существует критическое значение изгибающего момента, при котором, по существу, происходит общая потеря устойчиво­ сти круговой формы поперечных сечений фюзеляжа и полное сплющивание их.

Однако наличие усиленных жестких шпангоутов препятству­ ет сплющиванию поперечных сечений.

154. Для обычных фюзеляжей, содержащих усиленные шпан­ гоуты, наиболее вероятной и опасной является вторая изгибная форма общей потери устойчивости.

При второй форме происходит выпучивание по продольным полуволнам длиной порядка 1,5 диаметра фюзеляжа (на участке между силовыми шпангоутами) с образованием в поперечных се­ чениях фюзеляжа трех полуволн, распространяющихся только на сжатую зону фюзеляжа до нейтральной оси (фиг. 6.18). Ука­ занная форма выпучивания в сжатой зоне практически не изме­ няется в случае наличия в растянутой зоне выреза, усиленного бимсами.

149