книги из ГПНТБ / Конструкция летательных аппаратов учебник

184. Подвижная часть фюзеляжа (фиг. 7.10) крепится к са­ молету обычно четырьмя узлами. Учитывая симметрию, ее мо­ жно рассматривать как двухопорную тонкостенную балку (фиг. 7.10,6), работающую на поперечный изгиб под действием погон­ ной воздушной нагрузки

При мягком креплении остекления по контуру каркаса на по­ перечный изгиб работают только продольные элементы каркаса фонаря.

185. Силовой пол и торцевые шпангоуты кабины нагружа­

ются избыточным давлением pLeНагрузка с листов пола или со стенок торцевых шпангоутов передается на промежуточные подкрепляющие элементы (поперечные и продольные), которые передают ее далее на силовые элементы фюзеляжа, окаймляю­ щие пол или торцевой шпангоут. Пол, помимо избыточного дав­

ления, воспринимает значительные сосредоточенные силы, на­ пример, от катапультируемых сидений, колонок управления и пр. Для передачи этих сил пол подкрепляется усиленными балками.

186. Цилиндрические герметические отсеки имеют достаточ­ но широкое распространение в конструкции летательного аппа­ рата: кабины личного состава десанта, герметические отсеки для размещения оборудования или топлива в корпусах ракет и са­ молетов, воздухоподводящие и выходные каналы двигателей и пр.

180

Нагрузки герметического отсека складываются одновременно из общих нагрузок корпуса в районе отсека (фиг. 7.11), а так­ же дополнительно из нагрузок от внутреннего избыточного дав­ ления газа р т и наружного разрежения /?нар.

Эти дополнительные нагрузки от давления растягивают об­ шивку — стенку отсека в направлении по касательной к окруж­ ности. Кроме того, некоторые из них, передаваясь через днище, вызывают продольные нормальные напряжения в обшивке.

Расчетное сжимающее напряжение в поперечном сечении ци­ линдрического топливного отсека (продольное нормальное нап­ ряжение) будет

арасчетное растягивающее напряжение в продольном сечении

Оf ( P m + P m V)R

тойчивости при совместном действии осевых сжимающих и коль­ цевых растягивающих напряжений и 2) из условия прочности ее на сдвиг при этой нагрузке.

1) Условие устойчивости о, < окр.

Критическое напряжение выражается формулой kE

где k — коэффициент, зависящий от внутреннего Давления.

181

2) Максимальное касательное напряжение будет в площад­ ках, наклоненных к образующим под углом 45°:

Тогда условием прочности на сдвиг будет а, + а2 < ов .

Для днища бака, имеющего форму тела вращения, можно воспользоваться зависимостями для безмоментной оболочки. Нор­ мальное напряжение о,, направленное по касательной к меридио­ нальному сечению, находится из равновесия части днища, отсе­ ченной плоскостью, перпендикулярной оси х (фиг. 7.12):

где Rx — радиус поперечного сечения днища;

<р — угол между осью х и нормалью к образующей днища.

Напряжениео2,перпендикулярное напряжениюо^ом.фиг. 7.12), определяется из уравнения равновесия элемента днища

где R 1 и R2 — радиусы кри­ визн, соответственно мериди­ онального и перпендикулярно­ го ему сечений днища.

188.

пряжения в днище и цилинд­ рической части отсека с учетом влияния изгибной жесткости оболочки и наличия шпангоута по месту стыка днища с ци­ линдром при действии внутреннего избыточного давления

182

Рассмотрим два сечения отсека т—т и п—п по обе стороны опорного шпангоута в месте приварки днища (фиг. 7.13). Радиус цилиндрической части бака под действием напряжений

Этот же радиус, например, в эллиптическом днище под действи­ ем напряжений oj и о2 удлиняется на величину

Как видно, величины wx и w2 получаются разными, чего в дейст­ вительности не должно быть. Поэтому в сечениях m—m и п—п

возникнут погонные силы Qt и Q2 и момент М, равномерно рас­ пределенные по окружности, выравнивающие перемещения ац и £Ог с деформацией шпангоута

где Fm — площадь поперечного сечения шпангоута.

Напряжения, обусловленные силами Qi и Q2 и моментом М, необходимо алгебраически просуммировать с напряжениями, оп­ ределяемыми по безмоментной теории.

Силы Qi и Q2 и момент М определяются методами строитель­ ной механики из уравнений совместности деформации. Они быст­ ро затухают вдоль цилиндрической части и образующей днища, поэтому имеют значение только в месте стыка днища.

183

189. В рассмотренном случае шпангоут нагружен равномерно распределенной по окружности погонной нагрузкой С/ш= Qi —Q2-

При значении R/b< 1,85 шпангоут будет растянут (фиг. 7.14). В этом случае от нагрузки С?ш заклепки, соединяющие обшивку со шпангоутом, работают на отрыв, а в шпангоуте возникают

растягивающие напряжения

шпангоута.

Из последнего равенства определяется значение потребного момента инерции шпангоута.

190. При некотором соотношении геометрических и жесткост-

ных параметров конструкции критические напряжения общей

потери устойчивости могут увеличиться при наличии внутреннего избыточного давления в герметических отсеках. Это необходимо учитывать с целью экономии веса конструкции. Спроектирован­ ную таким образом конструкцию в случае ее разгерметизации (при боевых повреждениях или по другим причинам) необходимо эксплуатировать при пониженных нагрузках. При изгибе фюзе­ ляжа величины критических нормальных напряжений в наиболее

внутреннего избыточного давления (/>изб = 0);

ДРнзб R3

8£7ШП

з

длина полуволны /р = 0,314/? 2

Наибольшее увеличение критических напряжений оРр наблю­

дается при выпучивании фюзеляжа по достаточно длинным про­ дольным полуволнам /р = 1.5D, образующимся между со­ седними силовыми шпангоутами.

184

§7.3. СРАВНИТЕЛЬНЫ Й А Н А Л И З Ф Ю ЗЕЛЯЖ НЫ Х КОНСТРУКЦИИ

191.Стрингерная (или моноблочная) конструкция фюзеля­ жа имеет широкое распространение из-за технологической до­

ступности и достаточной 'выгодности по весу и жесткости (см. п. 145). Однако дальнейшее возрастание скоростей полета лета­ тельных аппаратов и связанное с этим нарушение гладкости тон­ кой обшивки из-за увеличения местных воздушных и температур­ ных нагрузок диктует переход ,к обшивочной конструкции на тех участках, где ранее применялась стрингерная.

Особен,но рациональной в весовом отношении может оказать­ ся слоистая обшивка, она обладает высокой местной и общей устойчивостью, акустической и усталостной стойкостью и к тому же ей молено придать достаточные теплоизоляционные свойства за счет специальных заполнителей.

Герметические отсеки фюзеляжа (в частности, топливные, воз­ духоподводящие и выходные каналы и т. п.) могут, например, вы­ полняться из двухслойных стеклопластиковых или металличе­ ских оболочек с сотовым заполнителем. Соединение элементов осуществляется с помощью специальных клеев, выдерживающих

усталостностную прочность и долговечность. Широко могут также применяться пайка и сварка металлических обшивок. Об­ шивочные конструкции (особенно с достаточно толстой обшив­ кой) обладают преимуществом перед стрингерными также и в смысле боевой живучести как при механическом воздействии ос­ колков, так и при действии аэроили гидроудара, а также при попадании снарядов контактного действия (см. п.п. 421, 424).

Но в виде только стрингерной или только обшивочной конст­ рукции фюзеляж (корпус), как правило, выполнен быть не мо­ жет, так как для размещения и подходов при эксплуатации к во­ оружению, оборудованию, двигателям и другим агрегатам и гру­ зам необходимо делать люки, поперечные разъемы фюзеляжа или достаточно большие вырезы. Это требует постановки усилен­ ных шпангоутов, стрингеров или даже бимсов, рамных оканто­ вок и других элементов. В результате этого усложняется произ­ водство и увеличивается вес. Указанные отступления от регуляр­ ной конструкции, как правило, приводят к снижению долговеч­ ности и боевой живучести. Широкое использование штамповки, клеевых и сварных соединений, а также литья может снизить от­ меченные отрицательные эффекты такой смешанной конструк­ ции.

Установлено, что у однотипных по назначению аппаратов, даже если они существенно отличаются по размерам, всех конст­ рукции фюзеляжа, приходящийся на единицу площади наруж­

185

На фиг. 7.15 представлены зависимости веса фюзеляжа от площади его обтекаемой поверхности, построенные на основании весовых характеристик иностранных самолетов. Кривая а отно­ сится к маневренным самолетам,

б— к военно-транспортным и

в— к бомбардировщикам (раке­ тоносцам) .

На участках герметических кабин и отсеков величины qф соот­ ветствующего типа самолета получаются большими приблизи­ тельно на 20°/о за счет усиления окантовок окон, люков, а также наличия различных герметических соединений.

При грубых весовых расчетах относительный вес конструкции фюзеляжа можно принимать

гф = ^ = 0 ,0 6 ^ 0 ,1 4 . Go

При этом меньшие значения относятся к беспилотным крылатым аппаратам ограниченной маневренности, а большие — к высо­ команевренным истребителям.

При увеличении максимальной скорости летательного аппара­ та вес его фюзеляжа возрастает вследствие влияния аэродина­ мического нагрева и требования по повышению жесткости кон­ струкции.

полете чревато тяжелыми последствиями. Грамотная эксплуата­ ция планера на земле и в воздухе обеспечивает его высокую на­ дежность и безопасность полетов летательного аппарата.

К типичным повреждениям планера, которые Могут иметь ме­ сто в процессе эксплуатации, относятся:

— Повреждения, вызванные действием на обшивку местного нагружения силами разрежения или давления из-за превышения в полете допустимой по прочности величины скоростного напора ^шахтахНа участках планера с сильным разрежением в зави­ симости от режимов полета возможно ослабление крепления

186

обшивки к подкрепляющим элементам («хлопуны») или полный ее отрыв. Могут ослабнуть и даже оторваться головки заклепок или прорваться сама обшивка под головками заклепок (в местах

тельного аппарата к полету. На участках с повышенным давле­ нием возможны остаточные деформации обшивки в виде вмятин.

— Повреждения, вызванные действием на элементы конструк­ ции планера перегрузок, превышающих максимально допусти­ мую эксплуатационную величину. В элементах, в которых воз­ никают наибольшие усилия, возможно появление остаточных де­ формаций, а также разрушение этих элементов или всей части планера в целом. Например, при недопустимо резком маневри­

разование остаточных поперечных волн в обшивке и стрингерах в сжатых зонах, а также косых волн на наиболее нагруженных сдвигом участках обшивки и стенок лонжеронов. При маневри­ ровании с резким отклонением элеронов и руля поворота при не­ допустимо больших скорости и перегрузке (например, при пре­ вышении параметров, соответствующих расчетному случаю В) возможно появление остаточных косых волн обшивки из-за вы­ пучивания ее от сдвига при кручении крыла или фюзеляжа. При грубой посадке с превышением эксплуатационной перегрузки возможны повреждения элементов крепления шасси к крылу или фюзеляжу, а на тяжелых самолетах также и элементов креп­ ления двигателя и других грузов к планеру. При передаче боль­ ших сосредоточенных нагрузок могут овализироваться отверстия под заклепки или срезаться заклепки крепления силовых нервюр

ишпангоутов. Кроме того, возможно появление косых волн на стенках лонжеронов и силовых нервюр, а также обшивке крыла

ифюзеляжа вследствие потери их устойчивости от сд в и га . Вы­

пучивание листов обшивки и стенок может сопровождаться не только образованием остаточных волн, но и за ер ш и в а н и ем или от­ рывом головок заклепок, а также прорывом о б ш и в к и под голов­ ками заклепок.

— Разрушения, связанные с изменением в процессе эксплуа­ тации упругомассовых характеристик конструкции планера: изза флаттера, дивергенции, 'Скоростного «козла» и др. (см. гл. XIII и XIV). Уменьшение жесткости на кручение и изгиб крыла, фюзе­ ляжа и оперения может происходить за счет ослабления закле­ почных швов и других соединений. Ослабление крепления противофлаттерных грузов и выработка люфтов в узлах стыковки и шарнирных соединениях рулей и проводки управления также могут привести к опасным последствиям. За исправностью ука­ занных элементов необходимо внимательно следить при эксплуа­ тации.

— При повреждениях частей планера от огневых средств про­

187

тивника или при аварии происходит их ослабление, в результате чего напряжения в ряде элементов могут превосходить предел пропорциональности или разрушающие напряжения (см. гл. XVIII). При этом могут образоваться остаточные волны из-за потери устойчивости отдельных элементов, а также может про­ изойти отрыв обшивки, образование трещин, овализация отвер­ стий под болты и заклепки и т. д. При этом одновременно умень­ шается и жесткость. На все это необходимо обращать внимание как при оценке опасности повреждения, так и при его ремонте.

— Разрушение элементов планера в результате накопления усталостных повреждений может произойти при нагрузках, за­ метно меньших, чем допустимые эксплуатационные. Как правило, разрушению крыла, фюзеляжа, оперения или других элементов предшествует появление усталостных трещин в ответственных элементах основной силовой схемы (полках и стенках лонжеро­ нов, обшивке крыла, фюзеляжа, оперения и др.). Образование усталостных трещин и разрушение силовых элементов особенно опасно в наиболее нагруженных элементах силовой схемы, под­ верженных действию повторных и особенно знакопеременных на­ грузок (корневая часть крыла, узлы стыковки крыла, оперения, шасси и двигателя, обшивки хвостовой части фюзеляжа и др.). К повторным относятся и температурные напряжения, возникаю­ щие при неравномерном нагреве и исчезающие при охлаждении.

Для уменьшения (или устранения) колебаний напряжений при повторных нагрузках в болтах и гребенках стыковых соеди­ нений моноблочных конструкций крыла, оперения или фюзеляжа болтам дается предварительная затяжка. Это обеспечивает так­ же «нераскрытие» стыков.

В герметических отсеках конструкции пилотируемых лета­ тельных аппаратов за счет создания и снятия перепадов давле­ ний также возникают повторные нагружения. Образование уста­ лостных трещин в обшивке и других элементах герметических от­ секов может привести к их разгерметизации.

Усталостные трещины чаще всего появляются в местах кон­ центрации напряжений. Концентраторами напряжения являются, например, резкие переходы от одного типа конструкции к друго­ му (края вырезов в конструкции планера, сочленение полок лон­ жеронов со стенками, несглаженные углы в отдельных деталях, отверстия, в частности, под заклепки и болты и т. д.). Кроме то­ го, концентрация напряжений происходит в местах внешних по­ вреждений элементов конструкции в результате небрежного об­ служивания и хранения летательного аппарата (нарушения за­ щитных покрытий, царапины, следы коррозии, выбоины и др.). При обнаружении на деталях хотя бы ничтожных трещин их необходимо взять под неослабный контроль и при наличии тен­ денции к увеличению трещины произвести замену детали или ре­ монт.

188