книги из ГПНТБ / Конструкция летательных аппаратов учебник

вреждения планера тяжелых самолетов при движении по зем­ ле велика и может составлять более 50% от общего числа.

444. Для получения информации о повторяемости и величи­ нах нагрузок при эксплуатации летательных аппаратов прово­ дятся измерения перегрузок (и в ряде 'случаев — напряжений) конструкции с помощью специальной измерительной аппарату-

Ф и г. 19.5

ры. Примерная запись нагрузки и один из вариантов ее обра­ ботки показаны на фиг. 19.4. Цифрами обозначены экстремумы нагрузки; Рср/ — средняя нагрузка; Р ПеРу — переменная нагрузка. Обозначим относительную среднюю нагрузку через

помощью графиков типа фиг. 19.4 подсчитывается среднее коли­ чество нагрузок уровня ktj за достаточно большой отрезок времени. Количество нагрузок затем относится к одному часу налета и обозначается mt . (фиг. 19.5).

§19.3. ВЫНОСЛИВОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ПЛАНЕРА

445.Выносливостью элемента конструкции принято назы­ вать способность его сопротивляться разрушению под действи­ ем многократно повторяющейся нагрузки. Наряду с терми­ ном «выносливость» применяется также термин «усталостная прочность».

451

Различают статическую и динамическую выносливость. Статической называют выносливость под действием повтор­

ных нагрузок.

Под динамической выносливостью (или просто выносли­ востью) понимают выносливость под действием переменных нагрузок.

При оценке усталостного ресурса самолетов основное зна­ чение имеет статическая выносливость. Только для местной прочности отдельных элементов конструкции (обшивка, неко­ торые узлы и т. п.) определяющими являются динамические нагрузки. Для лопастей винта вертолета основное значение имеет динамическая выносливость. Выносливость элемента ха­ рактеризуется кривыми выносливости, получаемыми экспери­ ментально. Кривая выносливости показывает зависимость мак­

симальной нагрузки в цикле Р тах (или ее относительной вели-

р

чины k =■=>—ma* , где Яразр — разрушающая статическая на-

Я р а з р

грузка) от числа циклов N, которое выдерживает элемент кон­ струкции. Коэффициент k называют коэффициентом напряжен­

а = ———— ) где |Ящах|— модуль максимальной нагрузки. Показа-

Р т а * |

гразр

РСр = 0, а = 0 и kcp= 0. Для положительного пульсирующе-

462

го цикла (фиг. 19.6,б) я— -4-0,5. Для положительного асиммет­ ричного цикла (фиг. 18.6,в) а > 0, для отрицательного а < 0. Экспериментально найденные нагрузки представляются в виде совокупности этих типовых циклов нагружения (см. фиг. 19.5). Наибольшую долю нагрузок от порывов ветра составляют на­ грузки с симметричным циклом, от маневров — с положитель­

ным асимметричным. С точки зрения выносливости наиболее опасным является симметричный цикл. Так, для образца из спла­ ва В-95 разрушающее число циклов N при а =0,4 примерно в 170 раз больше N симметричного цикла (а= 0). Повторные на­ грузки с положительной асимметрией (а >0) более опасны, чем с отрицательной (а<Т)). Так как на конструкцию летатель­ ного аппарата действуют повторные нагрузки с различным уров­ нем средней нагрузки, то для определения усталостного ресурса элемента надо иметь так называемый полный график выносливо­ сти (фиг. 19.7). Полный график показывает зависимость полного

' разр

ла разрушающих циклов N и среднего коэффициента напряжен­ ности кср. Построить графики выносливости для оценки повреж­ даемости каждого элемента конструкции нового аппарата весьма сложно и дорого, так как для получения одного такого графи­ ка необходимо испытать 200—300 подобных изделий. Поэтому при прогнозировании ресурса элементов конструкции широко используются имеющиеся кривые выносливости для типовых конструкций.

§19.4. СХЕМА ОЦЕНКИ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТАЛОСТНОГО РЕСУРСА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

446. Схема оценки гарантийного усталостного ресурса лета­ тельного аппарата на стадии создания опытных образцов вклю­ чает:

463

—выбор типовых графиков полета и определение повтор­ ных и переменных нагрузок, действующих на элементы конст­ рукции аппарата на различных этапах полета;

—выявление слабого по ресурсу элемента планера, посколь­ ку именно долговечностью планера определяется ресурс лета­ тельного аппарата;

—определение кривых выносливости «слабого» элемента

планера;

—расчет ресурса.

Повторные и переменные нагрузки, действующие на элемен­ ты конструкции, носят случайный характер и определяются ус­ ловиями, в которых эксплуатируется самолет (см. § 2). Вели­ чина нагрузок и их повторяемость для разных типов лета­ тельного аппарата будут различными. Спектр нагрузок для каждого данного типа летательного аппарата будет неодина­ ковым на различных этапах полета. Например,; нагрузки на самолет при разбеге, пробеге и рулении определяются неровно­ стями аэродромного покрытия; в горизонтальном полете они обусловливаются турбулентностью атмосферы. Кроме того, дли­ тельность этапов полета отличается от полета к полету. По­ этому нагрузки должны быть определены для типового (наи­ более характерного) графика полета данного летательного ап­ парата. График может включать следующие этапы (фиг. 19.8): руление и взлет, набор высоты 1—2, горизонтальный полет

2—3, 4—6\ 7—8, маневрирование 5, снижение 3—4, 8—9, полет по кругу, посадку и руление. Для подсчета нагрузок от поры­

метр крыла Р могут быть приняты постоянными.

Результаты экспериментального исследования нагрузок ап­ парата, наиболее близкого к проектируемому, представляются

.464

в виде графиков повторяемости нагрузок различного уровня

(см. фиг. 19.5).

Повторяемость нагрузок при полете в турбулентной атмос­ фере и при движении по неровному аэродрому может быть оп­ ределена также с помощью статистических методов. Для этого надо знать вероятностные характеристики порывов воздуха и неровностей аэродрома.

«Слабым» элементом по ресурсу могут быть крыло, опере­ ние, фюзеляж. «Слабый» элемент выявляется обычно путем ограниченных испытаний элементов на выносливость на повтор­ ную пульсирующую нагрузку с относительным уровнем k = 0,5.

447. Кривые выносливости для «слабого» элемента планера определяются экспериментально или путем подбора наиболее подходящих из имеющихся кривых выносливости типовых кон­ струкций.

448. Составим формулы для приближенного определения

среднего и гарантийного ресурса. Будем считать, что графики

крыло). Из фиг. 19.5 следует, что за один час полета конструк­ ция подвергается воздействию повторных нагрузок с относи­

нять нагрузки и другого уровня, пока суммарная повреждае­ мость не достигнет единицы. В этом и состоит существо гипоте­ зы линейного суммирования повреждений элемента. Сформу­ лируем ее полнее: усталостные повреждения накапливаются в конструкции по мере приложения к ней группы повторных на­ грузок с постепенно возрастающим уровнем, и разрушение кон­ струкции происходит, когда сумма повреждений П становится равной единице:

пЛ % 2 £ 4 т . - а- и

Ку{кц )

1; = 1

Однако в действительности из-за влияния чередования нагру­ зок это равенство не выполняется. Эксперименты показывают, что сумма повреждений П, приводящая к разрушению, может

■принимать значения в пределах 0,5 < а <5,0. В запас пола­ гают а = 0,5. С учетом этого замечания из предыдущего соотно­ шения получим следующую формулу для оценки среднего ре­ сурса конструкции:

V m iAk ij)

" J Л М М Гарантийный ресурс вычисляется по формуле

гар

Коэффициент надежности ij учитывает разброс характеристик выносливости одной и той же конструкции, неточность стати­ стических данных о нагрузках, возможность осмотра элементов конструкции, где появляются начальные разрушения, коррозию

дают нагрузки среднего уровня. Эти нагрузки не самые большие,

Фиг. 19.9

но часто повторяющиеся и вызываются, например, для истре­ бителей маневренными перегрузками пу — 3 -г- 4; для неманевренных самолетов порывами ветра с вертикальной скоростью

и = 4 -э- 6 м/с.

466

конструкции Е/7/у- (а следовательно, и ресурс) зависит от ско­ рости V п высоты полета Н, типа ВПП и других летных харак­ теристик, а также технических параметров. На фиг. 19.10 пока­ зана зависимость повреждаемости от скорости V и высоты Я за один час полета. Чем больше скорость и меньше высота по­ лета, тем больше повреждаемость. Увеличение продолжитель-

Т*

H,V

Фиг. 19.10

ности полета т и переход с эксплуатации самолета на бетон­ ном аэродроме на эксплуатацию с грунтового снижают ресурс

Т (фиг. 19.11).

Ресурс летательного аппарата увеличивается с увеличением

относятся следующие.

Снижение действующих напряжений уменьшением нагрузок в эксплуатации (за счет выравнивания ВПП; правильной за­ рядки амортизации шасси; грамотной посадки самолета летчи­ ком и др.) или путем увеличения коэффициента безопасности f при проектировании летательного аппарата. Повышение значе­ ния f обычно используется для расчета элементов, отказ ко­ торых может привести к катастрофе, например, узлов крепле­ ния крыла.

Выбор материала с повышенной выносливостью. Например,

высокопрочный сплав имеет худшие характеристики выносли­ вости, чем сплав на той же основе средней прочности.

Повышение выносливости деталей путем термической, хи­ мико-термической (азотирование, науглероживание) и механи­ ческой (обкатка, нагартовка, шлифование, полировка) обра­ ботки поверхности деталей.

Уменьшение количества и вредного влияния концентратов напряжений. Для повышения выносливости целесообразно при­ менять монолитные и клееные панели, плотнее соединять эле­ менты составных панелей, лонжеронов и т. п. для передачи уси­ лий силами трения, ставить болты в разъемных соединениях с натягом, не допускать в эксплуатации царапин, коррозии, тре­ щин.

Создание конструкции со многими путями передачи нагру­ зок с возможностью контроля за возникновением и развитием трещин и их устранения. Примером такой конструкции может быть многолонжеронное крыло.

Ясно, что ресурс летательного аппарата существенно зависит от уровня научно-технического прогресса и достижений нашего производства.

§ 19.5. ПОДХОД К ВЫБОРУ РАЦИОНАЛЬНОГО РЕСУРСА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

451. Будем считать, что в любой будущий момент времени на вооружении должно быть постоянное количество однотип­

следовательно, одинаковой боевой эффективностью.

Можно разработать несколько вариантов аппаратов, имею­ щих одинаковую эффективность, но различный усталостный ре­ сурс.

Рассмотрим случай, когда ресурс меньше времени мораль­ ного старения летательных аппаратов Т < Тыор. Тогда в те­ чение Тм0р аппараты будут тем чаще сниматься с эксплуата­ ции, чем меньше их ресурс. Но при этом стоимость произ­ водства и эксплуатации одного аппарата будет меньше. При большем ресурсе восполнение парка летательных аппаратов бу­ дет происходить реже, но стоимость производства и эксплуата­ ции одного аппарата возрастает. Возникает противоречивая задача, которая может быть решена путем оптимизации.

452. В качестве критерия для определения оптимального ре­ сурса выберем стоимость создания, восполнения и эксплуа­ тации группировки из пла летательных аппаратов. Эта стои­ мость Cs складывается из стоимости С\ создания яла и воспол-

468