книги из ГПНТБ / Конструкция летательных аппаратов учебник

Опасными по второй форме общей потери устойчивости мо­ гут являться нагруженные изгибной нагрузкой участки фюзеля­ жа, на которых расстояния между силовыми шпангоутами /с. шп равны или больше приблизительно 1,5 диаметров фюзеляжа. На рассчитываемом опасном участке фюзеляжа эпюру изгибающих моментов можно приближенно представить как линейную (фиг. 6.19).

Тогда в сечении с Л4тах для кругового цилиндрического фю­ зеляжа величина критического нормального напряжения вдоль

у/

л шп

Ann — момент инерции сечения шпангоута с учетом примыкающей полоски обшивки;

/шп — расстояние между нормальными шпанго­ утами;

tv]

р = —5-2- — отношение величин наименьшего изгибаю- ■Мтах щего момента 7140 к максимальному Mmax, действующих в сечениях установки си­

ловых шпангоутов (см. фиг. 6.19). Наименьшая величина окр получается при расстоянии между

силовыми шпангоутами, равном /Сшп=^\где /=1, 2, 3 ,... , — це-

150

^шп луволны с образованием в поперечных сечениях трех полуволн

(см. фиг. 6.18), при которой величина акр.пз оказывается наи­ меньшей.

Формула (6.4) справедлива в пределах упругих деформаций. За пределом упругости надо пользоваться следующей формулой:

где

Зкр из

155.От действия крутящего момента также возможна об­ щая потеря устойчивости фюзеляжа.

Критические касательные напряжения общей потери устой­

чивости ткр j уменьшаются при уменьшении изгибной жесткости шпангоутов и увеличении радиуса и толщины обшивки §о6.

С точки зрения экономии веса изгибные жесткости нормаль­ ных шпангоутов должны быть подобраны так, чтобы выполни­

156. Усиленные шпангоуты так же, как и усиленные нервю­ ры, предназначены для передачи сосредоточенных сил и момен­ тов в их плоскости на обшивку в виде потоков касательных уси­ лий.

На фиг. 6.20,а представлен «глухой» (т. е. в виде сплошного листа) шпангоут, нагруженный вертикальной силой Р.

Эта сила передается на стойку, а с нее — на лист шпангоута, нагружая его потоками дст. Под действием указанной силы

151

шпангоут стремится переместиться вниз, но уравновешивается реакциями со стороны обшивки в виде потоков касательных уси­ лий qo6 (фиг. 6.20,б). Принимается, что усилия в заклепочном шве обшивки распределены так же, как и касательные усилия в сечении фюзеляжа от нагрузки, равной равнодействующей на­ грузки на шпангоут. В рассматриваемом случае кругового сече­ ния в точке, определяемой углом а, эти касательные усилия бу­ дут

PS

<7об = — = до s m а,

где

Р

S = /?2 8 sin а; / = тг/?3 8; -г -

кР

Стойка будет работать на сжатие по схеме, представленной на фиг. 6.20,в, и может разрушиться как от местной, так и от общей потери устойчивости. Ось стойки может изогнуться в на­ правлении по нормали к плоскости шпангоута, при этом крити­ ческая сила общей потери устойчивости будет

Ркр - 2*2 Е /„

где /ст — момент инерции сечения стойки с учетом примыка­ ющей полосы стенки шпангоута.

Прочность листа стенки проверяется на сдвиг от напряже­ ний

т — ^ст = ^

о2/о

Изгиб шпангоута в своей плоскости практически отсутству­

ет.

Рассмотренный «глухой» шпангоут является наиболее про­ стым по конструкции и выгоден в весовом отношении. Однако для получения внутри фюзеляжа объемов, не занятых конструк­ цией, приходится чаще всего усиленные шпангоуты делать в виде колец.

157. Кольцевой шпангоут с точки зрения строительной меха ники является трижды статически неопределимой рамой и рас­ считывается при помощи канонических уравнений метода сил. Обычно, учитывая условия симметрии системы и симметрии или обратной симметрии нагружения, задачу сводят к однажды или дважды статически неопределимой. Считая эти методы известны­ ми, мы сделаем несколько замечаний конструктивного порядка.

На фиг. 6.21,а представлен кольцевой шпангоут, нагружен­ ный вертикальной сосредоточенной силой Р.

Схема уравновешивания шпангоута и предполагаемый харак­ тер его деформации показаны на фиг. 6.21,6. Можно ожидать

152

(в действительности так и получается), что в точке С изгибаю­ щий момент имеет наибольшую величину, а в точке D он весьма мал. Это обстоятельство дает возможность упростить расчетную схему, предположив в точке D шарнир. Кроме того, распреде­ ленные потоки до6 можно приближенно заменить действием двух сосредоточенных реакций Р/2 в точках Л и В (фиг. 6.21,в). В этих предположениях система становится однажды статически неопределимой, а неизвестная осевая сила X определяется из кононического уравнения

Эпюра изгибающих моментов представлена на фиг. 6.21,г. Наи­ большая величина изгибающего момента в точке С отличается от точного решения приблизительно на 15% в сторону запаса прочности.

Прочность кольцевых (рамных) шпангоутов зависит в ос­ новном от их изгиба. Отметим, что за счет изгиба кривого бруса возникают радиальные усилия qR по схеме, представленной на фиг. 6.22. Для воспринятая этих радиальных усилий, особенно больших в местах сильного изгиба, между поясами шпангоута ус­ танавливаются стойки, препятствующие сближению поясов. Стой­ ка в точке С (фиг. 6.21) обеспечивает также передачу сосредото­ ченной силы Р на стенку шпангоута.

В весовом отношении выгодно применять кольцевые шпанго­ уты с переменной строительной высотой, которая должна быть наибольшей в местах приложения сосредоточенной нагрузки, где величина изгибающего момента наибольшая.

158. На фиг. 6.23 показана картина нагружения и уравнове­ шивания шпангоута крепления крыла, который заменяет собой фюзеляжную часть лонжерона крыла и выгоден с точки зрения компоновки фюзеляжа.

Определяющими прочность шпангоута являются большие сосредоточенные самоуравновешенные силы N, возникающие от изгиба крыла. В приближенных расчетах остальными нагрузка­ ми можно пренебречь. Предполагаемый характер деформации шпангоута показан на фиг. 6.24. Ясно, что в точках А и В изги­ бающие моменты будут малы. Поэтому шпангоут можно считать состоящим из двух половин, шарнирно соединенных между со­ бой в этих точках. Достаточно рассмотреть одну половину (фиг. 6.25). Наибольшая величина изгибающего момента равна:

или

154

а - а

155

Внутренний пояс шпангоута обычно делается шире, чем внешний, так как он в случае сжатия не подкрепляется обшивкой от вы­ пучивания из плоскости шпангоута. Как видно из фиг. 6.25, наи­ большая поперечная сила действует на участке между ушками. Поэтому стенка шпангоута на этом участке делается толще, а для передачи на нее больших сосредоточенных сил N служат стойки (см. фиг. 6.23).

Фиг. 6.26

159. В весовом отношении в фюзеляже выгодно иметь мень­ шее количество усиленных шпангоутов с таким расчетом, чтобы на один и тот же шпангоут передавать сосредоточенные силы, действующие от разных агрегатов в разное время. В связи с этим часто в месте подхода вертикальной сосредоточенной силы не ставят специального шпангоута, а передают силу к необходи­ мому из других соображений усиленному шпангоуту, располо­ женному на некотором удалении. Кроме того, действующие силы бывают наклонными и приложенными на некотором удалении не только от шпангоута, но и от обшивки. Для передачи этих сил по возможно более короткому пути к усиленным шпангоутам (вер­ тикальные составляющие) и стрингерам (горизонтальные состав­ ляющие) устанавливают дополнительные силовые элементы.

Такими силовыми элементами могут быть либо плоские тон­ костенные балки, либо фермы, либо просто подкосы, которые ча­ сто обеспечивают наиболее короткий путь передачи силы на уси­ ленные стрингеры и шпангоуты и далее — на обшивку фюзе­ ляжа.

160. Соединение основных элементов. Усиленные шпангоуты всегда приклепываются к обшивке фюзеляжа для непосредст­ венной передачи на нее сил. Нормальные шпангоуты обычно так­ же приклепываются к обшивке. При этом стрингеры частично

156

прорезают шпангоуты, соединяясь с ними либо специальными уголками (фиг. 6.26,а и б), либо уголковыми отгибами стенки шпангоута (фиг. 6.26,в). Вырезы в шпангоутах компенсируются обшивкой, склепанной с ними по периметрам, а также иногда пу­ тем приклепывания к шпангоутам дополнительных профилей, В некоторых случаях нормальные шпангоуты не склепываются с обшивкой, а связываются только со стрингерами (фиг. 6.27). При этом улучшается поверхность обшивки и упрощается техноло­ гия производства фюзеляжа, но ухудшаются условия работы об­ шивки на устойчивость.

161. Для удобства эксплуатации конструкция фюзеляжа в ряде случаев выполняется из отдельных частей, связанных ме­ жду собой быстроразъемными соединениями по стыковочным шпангоутам. Связь отсеков фюзеляжа может осуществляться либо по всему контуру, либо при помощи сосредоточенных узлов. Первый способ обычно применяют в стрингерном или монококовом фюзеляжах для неразъемных соединений или в случаях, ко­ гда расстыковку приходится делать очень редко (фиг. 6.28). Стрингеры в этом случае стыкуются болтами на специальных узлах (фитингах), приклепываемых на стыкуемых торцах стрин­ геров. Второй способ применяют для разъемных в эксплуатации соединений или когда из-за вырезов в фюзеляже необходимо ставить большое количество усиленных стрингеров, играющих основную роль в передаче вертикального и горизонтального из­ гибающих моментов (см. фиг. 6.10). Осевые усилия оо стыковых болтов передаются на усиленные стрингеры, которые на длине, равной приблизительно расстоянию между усиленными стринге­ рами, передают эти усилия на обшивку. Обшивка, работая на

157

усиленные стрингеры (так называемые бимсы), которые анало­ гично поясам лонжеронов двухлонжеронного крыла в районе вы­ реза воспринимают осевые силы, возникающие при изгибе и при изгибном кручении (фиг. 6.31).

Большие вырезы могут быть длинными, до двух и более диа­ метров фюзеляжа (например, бомболюк), и относительно корот­ кими, с длиной не более одного диаметра фюзеляжа (например, вырез под фонарь одноместной кабины). Подход к расчету фюзе­ ляжа с длинным и коротким вырезом различен.

Фиг. 6.31

164. Рассмотрим сначала работу и расчет фюзеляжа на уча­ стке длинного выреза отдельно на поперечный изгиб и круче­ ние.

Считаем, что как вертикальная QB. так и горизонтальная Qr поперечные силы проходят через центр жесткости рассматривае­ мого сечения фюзеляжа, на участке выреза (фиг. 6.32). Тогда ве­ личины нормальных и касательных напряжений для открытого сечения находятся таким же способом и по тем же формулам сопротивления материалов, что и для закрытого сечения. Фюзе­ ляж на участке выреза, так же как и в замкнутой части, прибли­ женно можно рассматривать как двухпоясную балку. Вертикаль­ ная сила QB уравновешивается в основном потоками касатель­ ных усилий в боковинах обшивки, которые выполняют роль сте­ нок балки. Величины этих усилий можно считать такими же, как и в боковинах замкнутой части (см. фиг. 6.12). Вертикальный из-

159