книги из ГПНТБ / Конструкция летательных аппаратов учебник

гибающий момент М а уравновешивается в основном парой осе­ вых сил, с одной стороны, в своде, а с другой, — в бимсах:

= 2Р 1б: Я,в.раб

где

Передача на бимс осевой силы с примыкающего к нему свода замкнутого участка фюзеляжа происходит на длине -Д/ = Б (см. фиг. 6.31) через заклепки. В местах связи бимсов с обшивкой свода она нагружается потоками касательных усилий

Бимс должен иметь максимальную площадь сечения на грани­ це выреза. Горизонтальная сила Qr уравновешивается на уча­ стке выреза в основном потоками касательных сил в обшивке целого (без выреза) свода, выполняющего роль стенки горизон­ тальной балки (см. фиг. 6.32,6).

Фиг. 6.32

Наибольшая (расчетная) величина потока может быть опре делена по формуле

160

Горизонтальный изгибающий момент воспринимается при этом парой осевых сил в боковинах

Часть этой, силы приходится на бимс соответствующей бокови­

ны Р2б* Величина крутящего момента М к при переходе от замкнуто­

го участка к участку с большим вырезом изменяется в Силу из­ менения плеча от действующей силы до центра жесткости от­ крытого контура по сравнению с замкнутым. Например, от дей­ ствия силы Рв.о, приложенной в центре давления вертикально­ го оперения, при вырезе сверху величина крутящего момента увеличивается по сравнению с моментом на замкнутом участке, а при вырезе снизу — уменьшается часто настолько, что его можно не учитывать при грубых расчетах прочности (фиг. 6.33). Координата центра жесткости уц.ж определяется как точка приложения равнодействующей погонных касательных сил.

где Нг— габаритный горизонтальный размер фюзеляжа в райо­ не выреза. Таким образом, боковины можно рассматривать как балки, жестко защемленный по торцам в замкнутых частях фю-

Фиг. 6.34

162

зеляжа, передающие силы Qa<k о т о д н о г о защемления на дру­

гое. При этом боковины изгибаются в противоположные стороны. Характер поперечного изгиба боковины показан на фиг. 6.35. Из­ гибающий момент боковины ДЛ1= воспринимается парой

осевых сил, с одной стороны, в бимсе, а с другой — в примыкаю­ щей половине свода

ДУИ

2ув '

Ше Уб— координата центра тяжести бимса.

На границах вырезов возникают максимальные изгибающие

может быть грубо определена по формуле

Рб ~ Pi б+ ^*2 6 + &Рб-

При сжатии он работает на продольный изгиб как стержень,

опирающийся по концам на жесткие шарнирные опоры (усилен­ ные ограничительные шпангоуты), а в пролете — на упругие опоры (нормальные незамкнутые шпангоуты). Сжимающая сила бимса переменна. При некоторой величине средней осевой силы Р ср он потеряет устойчивость (фиг. 6.36).

Критическое значение этой силы можно определить по фор­ муле Эйлера:

где 1б — момент инерции бимса относительно его нейтральной оси а—а (фиг. 6.37);

I— длина выреза;

т— коэффициент, зависящий от жесткости промежуток-, ных незамкнутых шпангоутов, определяемый мето­

дами строительной механики.

Кроме того, элементы бимса необходимо проверить на мест­ ную устойчивость.

Рассмотренные условия работы и определяют в основном кон­

f =0. При этом нормальные напряжения согласовываются с со­

теория длинных оболочек с открытым контуром, основанная на гипотезе депланаций, наиболее полно была развита проф. В. 3. Власовым в 1935—1940 гг.

В коротких оболочках с открытым контуром (участок с ко­ ротким вырезом), наоборот, нормальные напряжения невелики, ибо длина выреза мала, а сдвиг играет основную роль в на­ пряженном и деформированном состоянии оболочки. Поэтому за основу берутся касательные напряжения, которые согласовыва­ ются с деформациями сдвига (т = Gf). Нормальные напряжения при этом определяются из условия равновесия выделенного уча­ стка оболочки. Деформация сдвига определяется из условия, что поперечные сечения не могут депланировать, т. е. при нагруже­ нии оболочки кручением все ее сечения сохраняются плоскими. Это условие точно выполняется в абсолютно жесткой заделке и близко соответствует действительности в сечениях, не сильно удаленных от нее. Гипотеза плоских сечений тем более право­ мерна, чем короче оболочка и чем жестче подкрепляющие стрин-1

164

геры. Она может широко использоваться для определения остав­ шейся прочности при боевых повреждениях конструкции фюзеля­ жа. Указанная схема расчета впервые была предложена В. Н. Беляевым в 1933 г., а затем развита В. А. Марьиным и Р. А. АдаДуровым.

167.Как показывает анализ, для фюзеляжа с коротким вы­

резом при поперечном изгибе силой QB или Qr касательные и нормальные напряжения практически мало отличаются от соот­ ветствующие напряжений в сечениях фюзеляжа с длинным вы­ резом (см. п. 164). При кручении фюзеляжа с коротким вырезом

получается более существенное отличие напряженного состояния как за счет разницы величины крутящего момента, так и за счет иного закона распределения напряжений в сечениях открытого контура.

Погонные касательные усилия в поперечных сечениях на ос­ нове гипотезы сдвигов выражаются по формуле (фиг. 6,38,а):

где /с — направленный полярный момент инерции сечения обо­ лочки относительно центра сдвига;

80б— толщина обшивки; г — расстояние от центра сдвига до касательной в теку­

щей точке (фиг. 6.38,6).

Слёдует заметить, что здесь для вычисления касательных усилий в обшивке площади стрингеров в расчет не принимаются.

Положение центра определяется координатой уц.Сдв. Зависи­

165

представлена на графике фиг.6.39. Пунктиром показана зави­

симость у а.м от угла ? в оболочке, имеющей длинный вырез. Как видим, начиная с углов <р =90° и больше, положение цент­ ров жесткости и сдвига в оболочках типа фюзеляжа существенно отличается, а следовательно, и величины крутящих моментов так­ же отличаются на участках длинных и коротких вырезов фюзеля­ жа.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180<р°

Фиг. 6.39

В реальных конструкциях фюзеляжа с длинным вырезом в результате влияния рамного эффекта окантовки выреза положе­ ние центра жесткости отличается от показанного на фиг. 6.39 и приближенно можно считать, что центр жесткости лежит в точке целого свода .у,,.* = —/?(см. фиг. 6.34).

168. Обычно на участке короткого выреза при кручении нор­ мальные напряжения в элементах поперечного сечения несуще­ ственны в силу малости длин х (см. фиг. 6.35) и ими можно пре­ небречь.

Ограничительные шпангоуты как длинных, так и коротких вырезов выполняют роль, аналогичную ограничительным нервю­ рам в двухлонжеронном крыле с большим вырезом межлонжеронной части. Они снимают крутящий момент с замкнутого кон­ тура обшивки в виде потока касательных усилий и трансформи­ руют его в пару сил в виде потоков в боковинах обшивки в рай­ оне выреза. Ограничительные шпангоуты передают также часть горизонтальной поперечной силы (подошедшей по обшивке сво­ да к вырезу) на противоположный целый свод. При этом добав­ ляется соответствующий момент Q6oк// г(см. фиг. 6.34 и 6.40). Та-

166

ким образом, можно грубо считать, что на участке выреза вся го­ ризонтальная поперечная сила передается по оставшемуся нена­ рушенным своду (панели).

1

-к-О,..

Фиг. 6.40

Для выполнения этих задач ограничительные шпангоуты обычно делаются в виде сплошного листа, подкрепленного про­ филями. Иногда роль ограничительных шпангоутов выполняют целые участки фюзеляжа, включающие несколько шпангоутов.

§ 6.5. ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА НА КОНСТРУКЦИЮ ФЮЗЕЛЯЖА

Температурное поле в элементах конструкции фюзеляжа оп­ ределяется по правилам, изложенным в гл. 1, § 1.3. Рассмотрим характерные случаи возникновения температурных напряжений из-за неравномерности нагрева или неоднородности материала элементов конструкции фюзеляжа.

169. В цилиндрическом отсеке фюзеляжа (корпуса), частич­ но заполненном топливом (фиг. 6.41), при аэродинамическом нагреве температура t обшивки будет резко переменной по вы­ соте сечения, а по длине отсека ее можно принять постоянной. По торцам этот отсек опирается на достаточно жесткие ограничи­ тельные замкнутые цилиндрические участки оболочки. Примем

Скачкообразное изменение напряжений ях обусловлено подоб­ ным же изменением температуры. В действительности они ме­

167

няются по сечению плавнее, чему соответствует пунктирная ли­ ния на эпюре. Напряжения <зх затухают на довольно коротких участках дл.ин L„еред и /.зад (ам. фиг. 6.41). Изменение нор­ мальных напряжений вдоль замкнутых частей фюзеляжа вызы­ вает касательные напряжения в обшивке на этих участках, кото­ рые, как правило, малы и в расчет могут не приниматься.

170.В кольцевом шпангоуте двутаврового сечения (фиг. 6.42

при значительных перепадах температуры по высоте его сечения (вдоль радиуса г*) могут возникнуть опасные темпера­ турные напряжения в поясах. Рассмотрим шпангоуты круговой

Фиг. 6.42

формы. Допустим, что температура t по высоте сечения шпангоу­ та меняется по линейному закону (фиг. 6.42), а на одинаковых удалениях от центра температура постоянна (осесимметричное

168

температурное поле). При этом любое поперечное сечение шпан­ гоута. после нагрева, переместившись вдоль радиуса, останется, естественно, в той же плоскости. Тогда очевидно, что при одина­

ные напряжения при значительном градиенте температуры t по ее толщине.

Будем считать температурное поле осесимметричным, линей­ ным по толщине обшивки и постоянным в направлении образу­ ющей оболочки (оси х). Выделим, мысленно, элемент обшивки фюзе­ ляжа в виде кольца шириной, рав­ ной единице (фиг. 6.43). Его мож­ но рассматривать как кольцевой шпангоут.

В отличие от изолированного кольца (шпангоута) в обшивке (ли­ стовой или двухслойной с заполни­ телем) возникают нормальные на­ пряжения как в направлении дуги Ор, так и в направлении обра­ зующей ах. Эти напряжения рав­

ны по величине и отличаются от нормальных напряжений в се­

чении простого кольца коэффициентом------ (р — коэффи- 1- Р

циент относительной поперечной деформации).

Для внутреннего слоя обшивки при постоянных (или мало отличающихся) величинах Е и а, а также §Н= 2В (У двух­ слойной обшивки) нормальные напряжения приближенно мож­ но определять по формуле, аналогичной (6.5),

- _ Е а (*н ~ *в)

Обычно принятые выше условия в реальных конструкциях как двутавровых кольцевых шпангоутов, так и двухслойной обшивки.

169