книги из ГПНТБ / Конструкция летательных аппаратов учебник

Г л а в а III

КОНСТРУКЦИЯ и СИЛОВЫЕ СХЕМЫ ПРЯМЫХ КРЫЛЬЕВ

§3.1. КОНСТРУКЦИЯ и РАБОТА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КРЫЛА

41.Крыло (фиг. 3.1) состоит из каркаса и обшивки. Каркас в свою очередь образуется продольным (лонжеронами и стринге­ рами) и поперечным (нервюрами) наборами.

Воздушная нагрузка в виде сил разрежения или давления действует непосредственно на обшивку, отсасывая или прижимая

еек каркасу. Каждый элемент обшивки А, ограниченный двумя

соседними нервюрами и стрингерами (фиг. 3.1), действующую на него воздушную нагрузку передает на нервюры и стрингеры в ви­ де погонной нагрузки (фиг. 3.2).

Обшивка обладает изгибной жесткостью, вследствие чего она может передавать воздушную нагрузку своим изгибом. Но так как обшивка при этом прогибается, то в ее сечениях возникают также растягивающие (мембранные) напряжения (фиг. 3.2). В толстой обшивке превалируют изгибные напряжения, а в тонкой

— растягивающие. Например, если обшивка дюралевая и имеет толщину 2 мм и более, то при обычных расстояниях между эле­ ментами каркаса растягивающими напряжениями в ней практи­ чески можно пренебречь.

Стрингер представляет собой многопролетную балку с опора­ ми на нервюрах, нагруженную поперечной распределенной на­ грузкой (фиг. 3.3). Свою нагрузку через соответствующие узлы связи стрингер отдает нервюрам, работая при этом на попереч­ ный изгиб.

Нервюра нагружается силами со стороны обшивки и стрин­ геров Рн(фиг. 3.4). Опорами нервюры являются стенки лонжеро­ нов и обшивка. Нагрузки, действующие на нервюру со стороны обшивки и стрингеров, приводятся к равнодействующей Р„, при­

лой Рн дает момент АМк= Рн с, который передается нервюрой в виде потока касательных усилий AqK на замкнутый контур, об­ разованный обшивкой и стенкой заднего лонжерона (здесь пола-

50

Ф иг. 3.1

Нервюры

Стрингеры

Ф иг. 3.2

Нервюры

Ф иг. 3.3

51

гаем, что хвостовая часть сечения крыла не замкнута). Нервюра работает при этом на поперечный изгиб в своей плоскости.

Лонжерон представляет собой двухопорную (узлы крепления к фюзеляжу А или В) балку с консолями, нагруженную силами AQi или aQ2, передающимися от нервюр (фиг. 3.5). Эту на­ грузку лонжероны передают на узлы А и В, работая при этом на поперечный изгиб в своей плоскости.

Ф иг. 3.5

Замкнутая оболочка, образованная обшивкой крыла и стен­ кой заднего лонжерона, нагружается со стороны нервюр момен­ тами Д/Ик (фиг. 3.6). Под действием этих моментов оболочка стремится провернуться, но удерживается корневой нервюрой. Следовательно, она будет нагружена кручением.

Корневая нервюра берет на себя весь крутящий момент у корня оболочки Л4К«= Е Д Л4К, прикладываемый к ней в виде по­ тока касательных усилий по контуру, и передает его в виде пары сил RK на узлы крепления нервюры (см. фиг. 3.6). Корневая нер­ вюра обычно крепится к узлам лонжеронов. Поэтому суммарные реакции в узлах крепления крыла к фюзеляжу равны:

R a ==/?! + RK — в узлах А и RB = R2 — RK— в узлах В.

42. Назначение основных элементов крыла. Обшивка придает крылу обтекаемую форму, непосредственно воспринимает воз­

52

душную нагрузку и передает ее на стрингеры и нервюры. Обшив­ ка работает на сдвиг от кручения крыла. Кроме того, она прини­ мает участие в воспринятии изгибающего момента крыла, рабо­ тая при этом вместе со стрингерами на растяжение или сжатие.

Стрингеры передают нервюрам местную воздушную нагрузку от обшивки. Кроме того, они подкрепляют обшивку, повышая ее критические напряжения при сжатии и сдвиге и уменьшая ее де­ формации от местной воздушной нагрузки. Стрингеры совместно с поясами лонжеронов и обшивкой принимают также участие в воспринятии изгибающего момента крыла.

Нормальные нервюры представляют собой тонкостенные плос­ кие балки. Они сохраняют заданную форму профиля крыла и пе­ редают местные воздушные нагрузки на лонжероны и обшивку. Кроме того, нормальные нервюры поддерживают стрингеры и обшивку, увеличивая их критические напряжения.

Лонжероны — двухпоясные продольные балки, состоящие из стенок и поясов. Пояса воспринимают изгибающий момент кры­ ла, работая при этом на растяжение—сжатие. Стенки восприни­ мают поперечную силу и могут участвовать в воспринятии кру­ тящего момента, замыкая контур крыла.

Корневая нервюра прямого крыла предназначена для транс­ формации крутящего момента из потока касательных усилий по замкнутому контуру оболочки в пару сил в узлах ее крепления. Корневая нервюра относится к числу так называемых усиленных (силовых) нервюр.

Усиленные (силовые) нервюры предназначаются для воспри­ нятая сосредоточенных сил и моментов от агрегатов, крепящихся к крылу, и передачи их на основные силовые элементы крыла (лонжероны и обшивку). Усиленные нервюры выполняют также функции и нормальных нервюр.

43. От действия изгибающего момента М в поперечных сече­ ниях поясов лонжеронов, стрингеров и обшивки крыла возника­ ют нормальные напряжения а. Поскольку обшивка носка и хво­ стика крыла сравнительно близко расположена от нейтральной оси и обычно подкреплена более слабыми стрингерами, то приб­ лиженно можно считать, что момент М воспринимается только межлонжеронными (верхней и нижней) панелями крыла, обра­ зованными поясами лонжеронов, стрингерами и обшивкой (фиг. 3.7).

Если высоты лонжеронов (Я, и Я2) будут примерно одинако­ вы, то нормальные напряжения в поясах лонжеронов приближен­ но могут быть определены по формуле

______________ М_____________

Я р ( £ F г + л / СТр ^ СТр + Я о о6 <р0б)

53

отношению к поясу лонжерона.

При определении напряжений в поясах растянутой панели необходимо учитывать ее ослабление отверстиями под болты и за­ клепки, подставляя в формулу не полную площадь поперечного сечения элементов (поясов, стрингеров, обшивки), а только часть ее (примерно 90% от полной площади поперечного сече­

ния).

Редукционные коэффициенты стрингеров и обшивки опреде­ ляются методами строительной механики.

При действии расчетного момента напряжения в основных силовых элементах конструкции крыла должны быть близкими к разрушающим. В этом случае редукционные коэффициенты рав­ ны:

— в растянутой панели крыла

где ов.п, з в.стр и о80б — напряжения предела прочности материа­ ла пояса, стрингера и обшивки соответственно;

— в сжатой панели крыла

54

где акр.п, аКр.СТр и окр.об— критические напряжения местной поте­ ри устойчивости при сжатии пояса, стрингера и обшивки соот­ ветственно.

Критические напряжения могут быть определены по следую­ щей эмпирической формуле:

где b — расстояние между стрингерами для обшивки; ширина лапок пояса (стрингера) для поясов (стрингеров);

Ь— толщина обшивки или лапок поясов (стрингеров);

k — коэффициент, зависящий от опорных условий обшивки или лапок поясов (стрингеров). Например, для лапок поясов (стрингеров), имеющих одну свободную сторо­ ну, ^ = 0,45; для обшивки, шарнирно опертой на стрин­

геры и нервюры, £= 4,0.

Определив напряжения в поясах лонжеронов и зная редукци­

Так как обшивка сжатой панели после потери ею устойчивости работает с переменными напряжениями, то напряжения зо6, оп­ ределенные по приведенной выше формуле, являются средними напряжениями в обшивке.

44. Силовые схемы крыльев. Совокупность элементов, служа­ щих для воспринятия силовых факторов, действующих в сечени­ ях крыла, составляет основную силовую схему крыла.

Элементы основной силовой схемы крыла вместе с другими элементами крыла, служащими для передачи местной нагрузки на элементы основной силовой схемы, составляют полную сило­ вую схему крыла, или просто силовую схему крыла.

Изгибающий момент М является основным силовым факто­ ром, действующим в поперечных сечениях крыла, поскольку на его воспринятие затрачивается наибольший вес — до 50% обще­ го веса крыла.

В зависимости от степени участия обшивки, стрингеров и по­ ясов лонжеронов в воспринятая изгибающего момента крылья подразделяются на лонжеронные и моноблочные.

Крыло, в котором изгибающий момент воспринимается в ос­ новном поясами лонжеронов, называют лонжеронным.

Крыло, в котором изгибающий момент воспринимается в ос­

55

новном обшивкой совместно с подкрепляющими ее продольны­ ми элементами (стрингерами, гофром), называют моноблочным.

45. Лонжеронные крылья характеризуются развитыми пояса­ ми лонжеронов, сравнительно слабыми стрингерами и довольно тонкой обшивкой. Лонжеронные крылья могут иметь один, два и большее число лонжеронов. На фиг. 3.1 изображено двухлонжеронное крыло, а на фиг. 3.8 — однолонжеронное, которое обяза­ тельно имеет заднюю стенку, служащую для образования замк­ нутого контура, работающего на кручение. У разъема стенка име-

Ф иг. 3.8

ет узел (фиг. 3.8), который совместно с узлами лонжерона обес­ печивает передачу крутящего момента на фюзеляж. Лонжероны в лонжеронных крыльях стремятся расположить так, чтобы лучше использовать строительную высоту профиля, обеспечить доста­ точную базу крепления крыла к фюзеляжу и удобство размеще­ ния и крепления шасси, механизации крыла и т. д. В двухлонжеронном крыле передний лонжерон обычно располагают на 20—30°/о, а задний — на 60—70°/о хорды крыла. В однолонжеронном крыле лонжерон обычно располагают вблизи наибольшей строительной высоты сечения крыла.

В лонжеронных крыльях вблизи разъема обшивка и стрин­ геры на нормальные напряжения не работают, вследствие чего здесь весь изгибающий момент воспринимается поясами лонже­ ронов. Поскольку при передаче только изгибающего момента М и поперечной силы Q крыла (без кручения) прогибы лоижеро-

56

нов в каждом сечении крыла одинаковы, то момент, воспринима­ емый f-тым лонжероном крыла вблизи разъема, будет равен:

М, = М ■

М,

ап i сж

F^ipFI сж

— в растянутых поясах

где 0,9 — коэффициент, учитывающий ослабление растянутых поясов отверстиями под заклепки.

Этот способ определения нормальных напряжений в поясах лонжеронов лонжеронного крыла вблизи разъема применяется и для приближенной оценки напряжений в поясах лонжеронов вда­ ли от разъема при большой разнице в высотах лонжеронов.

ризуются толстой обшивкой, развитыми стрингерами и сравни­

57

тельно слабыми поясами лонжеронов (примерно такой же пло­ щади поперечного сечения, что и стрингеры). Типичная конст­ рукция моноблочного крыла представлена на фиг. 3.9.

Центральная часть крыла называется моноблоком. При боль­ шой ширине моноблока в нем устанавливают одну или несколько промежуточных стенок.

Панель моноблочного крыла работает на растяжение так же,, как соответствующая панель лонжеронного крыла вдали от разъ­ ема: ее разрушение происходит при разрушении пояса лонжеро­ на. Разрушение панели при сжатии происходит при разруше­ нии стрингера.

Параметры панели из условия работы ее на сжатие выбира­ ют так, чтобы потеря устойчивости стрингеров и обшивки, вы­ полненных из одного и того же материала, происходила бы од­

вает обычно не более 5—10% поперечной силы крыла, и этим в дальнейшем будем пренебрегать.

Часть (до 20—25%) поперечной силы уравновешивается вер­ тикальными проекциями осевых усилий, действующих в сходя­ щихся (см. угол ф; на фиг. 3.10) поясах лонжеронов лонжерон­ ного (в сходящихся панелях моноблока моноблочного) крыла. Основная же часть поперечной силы Q уравновешивается пото­ ками касательных усилий в стенках лонжеронов.

58

В крыле поперечная сила Q распределяется между лонжеро­ нами пропорционально их изгибным жесткостям:

потоком касательных усилий qoi в стенке лонжерона (см. фиг. 3.10).

Из условия равновесия следует, что

р. ваемая осевыми усилиями поясов.

48.От действия крутящего момента Мх в обшивке крыла и стенках лонжеронов возникают потоки касательных усилий qK (фиг. 3.11). Из условия равенства относительных углов закручи-

59