Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы расчета самолета на прочность. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный университет»
Р. И. Гусева
ОСНОВЫ РАСЧЕТА САМОЛЕТА НА ПРОЧНОСТЬ
Утверждено в качестве учебного пособия
Учебно-методическим советом Федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«Комсомольский-на-
Амуре государственный университет»
Комсомольск-на-Амуре
2020
1
УДК 629.7.02(07)
ББК 39.53я7
Г962
Рецензенты:
Филиал ПАО «Авиационная холдинговая компания «Сухой»
«Комсомольский-на-Амуре авиационный завод имени Ю. А. Гагарина»,
главный технолог кандидат технических наук А. Г. Прохоров;
Ю. Ф. Огнев, доктор технических наук, профессор кафедры
«Самолето- и вертолетостроение» филиала Дальневосточного
федерального университета (г. Арсеньев, Приморский край)
Гусева,
Р. И.
Г962 Основы расчета самолета на прочность : учеб. пособие / Р. И. Гу-
сева. – Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВО «КнАГУ», 2020. – 78 с.
ISBN 978-5-7765-1403-6
Учебное пособие содержит теоретические сведения о расчете самолета и отдельных его частей на прочность под действием аэродинамических нагрузок. Освещены вопросы по перегрузкам, которые испытывает
самолет в
полете, при посадке и взлете. Приведены варианты нагрузок,
действующих в полете, и расчетные случаи нагружения для крыльев (прямых, трапециевидных и стреловидных). Рассмотрены варианты уравновешивания фюзеляжа в полете. Приведены примеры расчета на прочность
нервюр, механизации крыла, элеронов крыла.
Предназначено для студентов специальности 24.05.07 – «Самолето- и
вертолетостроение» заочной формы обучения.
УДК 629.7.02(07)
ББК 39.53я7
ISBN 978-5-7765-1403-6 ФГБОУ ВО «Комсомольский-на-Амуре
государственный университет», 2020
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………… 5
1. ВНЕШНИЕ НАГРУЗКИ НА КОНСТРУКЦИЮ САМОЛЕТА……. 6
1.1. Понятие о перегрузках…………………………………………... 8
1.2. Криволинейный полет в вертикальной плоскости…………….. 11
1.3. Криволинейный полет в горизонтальной плоскости………….. 12
1.4. Расчетные случаи для крыла самолета…………………………. 13
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК НА КРЫЛО………………………..... 18
2.1. Эволюция конструкций крыльев самолета…………………….. 20
2.2. Определение воздушных нагрузок крыла……………………....
21
2.3. Определение массовых сил крыла…………………………….... 25
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕРЕЗЫВАЮЩЕЙ СИЛЫ
И ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА……………………………………. 26
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И ТОЛЩИНЫ
ОБШИВКИ КРЫЛА………………………………………………….. 30
5. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ОБШИВКИ С ПРОДОЛЬНЫМ
НАБОРОМ…………………………………………………………….. 33
6. ПОДБОР СЕЧЕНИЙ ПОЯСОВ ЛОНЖЕРОНОВ КРЫЛА……….... 36
7. ПОДБОР СЕЧЕНИЙ СТРИНГЕРОВ……………………………... 37
8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
В СТРИНГЕРЕ………………………………………………………... 39
9. ПОДБОР ТОЛЩИН СТЕНОК ЛОНЖЕРОНОВ………………….... 41
10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ПРИ ИЗГИБЕ КРЫЛА…………………………………………….... 42
11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
В КРЫЛЕ…………………………………………………………….. 47
11.1. Определение касательных усилий от изгиба крыла………… 48
11.2. Определение касательных напряжений при кручении
крыла…………………………………………………………… 50
12. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ КРЫЛА……………………….. 52
13. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НЕРВЮР…………………………..... 53
14. УЧЕТ СПОСОБА КРЕПЛЕНИЯ КРЫЛА К ФЮЗЕЛЯЖУ…….... 56
14.1. Четырехточечное крепление…………………………………. 56
14.2. Трехточечное крепление крыла…………………………….... 58
15. СТРЕЛОВИДНЫЕ КРЫЛЬЯ……………………………………….. 59
15.1. Моноблочное стреловидное крыло с переломом
продольного набора по борту фюзеляжа……………………. 60
15.2. Моноблочное стреловидное крыло с переломом
продольного набора по оси симметрии фюзеляжа………….. 61
15.3. Однолонжеронное стреловидное крыло с нервюрами,
перпендикулярными оси жесткости крыла………………….. 62
3
15.4. Однолонжеронное стреловидное крыло с внутренним
подкосом (главной балкой)………………………………….... 65
16. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТРЕУГОЛЬНЫХ КРЫЛЬЕВ…….... 66
17. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ЭЛЕРОНОВ И МЕХАНИЗАЦИИ
КРЫЛА………………………………………………………………. 68
18. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ ФЮЗЕЛЯЖА….. 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………….. 76
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК………………………………….. 77
4
ВВЕДЕНИЕ
К летательным аппаратам (ЛА) предъявляются разнообразные и зачастую противоречивые требования. Например, самолет (вертолет) должен
обладать высокими летными и эксплуатационными характеристиками, но
при этом он должен быть прочным и обеспечивать требуемый ресурс конструкции при минимальной массе агрегатов. Следовательно, прочность
самолета является одним из основных факторов обеспечения безопасности
полета
любого ЛА.
Все авиационные конструкции проектируются исходя из двух противоречий:
1) в процессе эксплуатации в них не должны возникать остаточные
деформации;
2) конструкция должна иметь минимально возможный вес.
Цель и задачи дисциплины «Прочность конструкций самолета»
следующие:
- расчет нагрузок и напряжений, действующих на ЛА и его элементы;
- выбор наиболее рациональных
конструктивных схем отдельных ча-
стей ЛА с точки зрения их несущей способности.
Расчет самолета и его агрегатов на прочность ведется в два этапа:
1) проектировочный расчет, в процессе которого определяют геомет-
рические размеры отдельных элементов конструкции (площади и формы
лонжеронов, нервюр, стрингеров, обшивок) исходя из разрушающих
напряжений σ
, которые испытывает элемент;
в
2) проверочный расчет (или поверочный), цель которого – определить, какие по величине напряжения действуют в сечениях агрегата, геометрические размеры которого найдены из проектировочного расчета, и
сравнить действующие напряжения с разрушающими напряжениями.
В отличие от других отраслей машиностроения расчет самолета на
прочность ведут по разрушающим (предел прочности материала
), а не по
допускаемым напряжениям.
При расчете самолета и его элементов используют расчетную
нагрузку Рр, которая определяется как эксплуатационная нагрузка Рэ, действующая на конструкцию, умноженная на коэффициент безопасности f:
Рр= Рэf.
Коэффициент безопасности f задается Нормами летной годности
(НЛГ) или Нормами прочности (НП). Этот коэффициент учитывает воз-
можные неточности расчета:
- проведением натурных статических испытаний опытного самолета;
- разбросом физико-механических свойств материала, из которого
изготовлен элемент конструкции;
- учетом технологических погрешностей при сборке самолета.
5
Для авиационных конструкций f лежит в пределах 1,5…2,0.
Разрушающая нагрузка отличается от эксплуатационной и определяется введением в расчетные формулы коэффициента безопасности f.
Исходя из величины нагрузки Рр проводят расчет разрушающих
напряжений в элементах конструкции и сравнивают действующие напряжения σ
с разрушающими напряжениями σ
дей
разр
(с пределом прочности
в
материала).
Напряжения в элементах конструкции самолета от этих нагрузок не
должны превышать предела упругости, чтобы в этих элементах не возникали остаточные деформации.
Если обеспечивается выполнение условия σ
дей
< σ
разр
, то конструк-
в
ция будет работать без разрушения в течение всего ресурса.
По соотношению этих напряжений определяют коэффициент избытка прочности конструкции η как отношение напряжений разрушающих к
действующим
η = σ
разр
в
/ σ
дей
.
Величина коэффициента избытка прочности для тонкостенных конструкций должна лежать в пределах η = 1,05…1,15. Для силовых жестких
узлов коэффициент избытка прочности должен быть выше в зависимости
от местонахождения узла (η = 2…10), например узлы навески лонжерона,
силовые стрингеры.
1. ВНЕШНИЕ НАГРУЗКИ НА КОНСТРУКЦИЮ САМОЛЕТА
В полете на самолет действуют:
- аэродинамические силы;
- сила тяжести;
- инерционные силы;
- тяга двигательной установки;
- силы реакции опорной поверхности (при движении по взлетно-
посадочной полосе или воде).
Определить действующую нагрузку на самолет или его агрегат – это
значит определить:
- величину силы, действующей на самолет;
- направление действия силы;
- закон распределения силы, действующей по сечению и размаху
агрегата;
- место приложения равнодействующих сил.
Действующие силы на ЛА классифицируют по нескольким признакам.
1. Поверхностные силы – силы воздействия
аэродинамические силы R
, силы реакции земли, силы реакции пусковой
n
на ЛА внешней среды:
установки, тяга ускорителя и двигателя Р, силы лобового сопротивления Х
(рис. 1.1).
6
Рис. 1.1. Поверхностные силы, действующие на самолет
2. Массовые (инерционные) силы пропорциональны массе самолета
и ускорению, распределены по всему объему ЛА (силы веса, масса агрегата, инерционные силы при совершении эволюций).
3. Внутренние силы действуют на отдельные элементы ЛА. Все они
взаимно уравновешены (температурное напряжение, монтажное напряжение). При рассмотрении
ЛА в целом внутренние силы не учитываются.
В процессе эксплуатации на самолет на земле и в воздухе действуют
разнообразные нагрузки, как по величине, так и по характеру приложения.
Все нагрузки, действующие на самолет, носят вероятностный характер, поскольку на них оказывают существенное влияние такие факторы,
как вертикальные и горизонтальные порывы ветра, рельеф местности, состояние атмосферы (снег, дождь, гроза) и действия пилота.
В результате обработки действующих нагрузок на самолет, анализа
летных происшествий и моделирования всевозможных летных ситуаций, в
которые может попасть самолет, определены наиболее встречаемые в
практике варианты нагружения на самолет и особенности расчета элементов самолета. Эти варианты нагрузок стали называть «расчетными случа-
ями» нагружения самолета.
Расчетные случаи описываются в специальных регламентирующих
национальных и международных документах (например: НП самолета,
Авиационные правила, НЛГ гражданских самолетов, НЛГ военных
самолетов).
При проектировании авиационных конструкций и расчете их на
прочность является обязательным соблюдение норм и требований на соответствие при сертификации самолета.
Регламентация нагрузок на самолет и отдельные части самолета
обеспечивают безопасную эксплуатацию самолетов в течение всего его
ресурса.
7
1.1. Понятие о перегрузках
R
Х
Z
Полной перегрузкой в центре тяжести ЛА называется отношение
равнодействующей всех поверхностных сил R
к весу ЛА G.
п
Различают эксплуатационную и расчетную перегрузки.
Эксплуатационной перегрузкой, возникающей в реальных условиях, называется перегрузка, определяемая отношением
э
n
п
.
G
Расчетные перегрузки определяют соотношением
р
n
= fnэ.
y
Отношение составляющей равнодействующей всех поверхностных
сил вдоль какой-либо оси к весу ЛА называется эксплуатационной пере-
грузкой вдоль этой оси:
- продольная перегрузка вдоль оси Х
P
Э
n
Х
G
;
- поперечная перегрузка вдоль оси Y
Y
Э
n
Y
;
G
- боковая перегрузка вдоль оси Z
Э
n
Z
G
,
где (Р – Х) – тяга самолета; Y – подъемная сила крыла; Z – боковая сила,
действующая вдоль размаха крыла.
Наиболее труднопереносимой нагрузкой является поперечная перегрузка вдоль оси Y.
Перегрузка в точке, не совпадающей с центром тяжести ЛА, будет
отличной от перегрузки в центре тяжести ЛА (рис. 1.2).
Перегрузки, которые должен со
-
здать ЛА при движении по заданной
траектории, называются потребными.
Перегрузки, которые может
Рис. 1.2. Эпюра перегрузок
вдоль оси Y по длине самолета
создать ЛА, называются располагае-
мыми.
8
Возможность движения ЛА по заданной траектории является равен-
ством потребных и располагаемых нагрузок.
Наибольшей перегрузкой является
больше
Э
n
. Перегрузка
Y
Э
n
в случае запуска ЛА с помощью катапульты и стартовых
Y
Э
n
может быть
X
ускорителей.
Максимальная эксплуатационная перегрузка равна
1
G
,
где
Cy C qS
2
Vq
– скоростной напор.
2
y
Максимальным скоростным напором называется наибольшее значение скоростного напора в условиях горизонтального полета на любой
возможной для данного самолета высоте. Скоростной напор измеряется в
паскалях (Па).
В расчетах на прочность часто оперируют максимально возможным
скоростным напором
2
V
где
V
max max
g
max max
– предельно возможная скорость.
Предельным скоростным напором q
max max
,
2
maxmax
называется скоростной
напор, достигаемый кратковременно при пикировании или крутом планировании самолета.
Отрицательные перегрузки хуже всего переносятся летчиками, в НП
и НЛГ регламентируют значение отрицательных перегрузок (голова-таз) в
пределах 50 % от положительных перегрузок (таз-голова)
ЭЭ
nn
YY
0,5 .
min max
Все самолеты согласно правилам НП разбиты на три класса:
1) класс А – маневренные самолеты, максимальная перегрузка
Э
n
Y
max
8;
2) класс Б – маломаневренные самолеты, максимальная перегрузка
Э
n
Y
max
4;
3) класс В – неманевренные самолеты, максимальная перегрузка
Э
n
max
Y
2.
Например, максимальные перегрузки при выполнении фигур высшего пилотажа для самолетов класса А приведены в табл. 1.1.
9
Таблица 1.1
Перегрузки при выполнении фигур высшего пилотажа
Фигуры высшего пилотажа Значение
перегрузки
1. Мягко выполненная петля с набором высоты (петля
Нестерова)
2. Быстро выполненная петля при Н = const
3. Очень быстрая петля с потерей высоты
4. Нормальная бочка (вращение через крыло без набора Н)
5. Восходящая бочка (с набором высоты)
6. Спираль
7. Боевой разворот
8. Переворот Иммельмана (полупетля с поворотом в верх-
ней точке на 180°
с полубочкой)
9. Штопор
10. Вираж
2,7
3,4
6,1
5,4
7,0
5,5
3…4
4,4
2,6
5,7
Все гражданские самолеты разбивают на категории.
К нормальной категории относятся самолеты с количеством посадочных мест не более 9, максимальным взлетным весом G
≤ 5700 кГ и
0
предназначенные для неакробатического применения (нормальный полет,
режимы сваливания, плоские восьмерки, крутые развороты с креном не
более 60°).
К многоцелевой категории относятся самолеты с количеством посадочных мест не более 9, максимальным взлетным весом G
≤ 5700 кГ и
0
предназначенные для ограниченного акробатического применения (штопор, плоские восьмерки, крутые развороты с креном более 60°).
К акробатической категории относятся самолеты с количеством посадочных мест не более 9, максимальным взлетным весом G
≤ 5700 кГ и
0
предназначенные для использования без ограничений.
К переходной категории относятся винтовые многодвигательные самолеты с количеством посадочных мест, кроме мест пилотов, не более 19,
максимальным взлетным весом G
≤ 8600 даН и предназначенные для не-
0
акробатического применения.
На самолетах этих четырех категорий коммерческие перевозки не
допускаются.
К пятой транспортной категории относятся многодвигательные самолеты без ограничений по взлетной массе, предназначенные для коммерческих перевозок.
Для каждой категории задаются предельные значения максимальной
(минимальной) маневренной перегрузки, а также значения максимальной
(минимальной
) болтаночной перегрузки.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]