Структурные элементы и материалы

Основными структурными элементами фюзеляжа являются: лонжероны, стрингеры, шпангоуты, обшивка.

Обшивка придает форму фюзеляжу и защищает экипаж, пассажиров, оборудование и грузы от набегающего потока. Обшивка работает совместно с подкрепляющими ее стрингерами на растяжение-сжатие (на нормальные напряжения) от действия изгибающих моментов и на сдвиг (на касательные напряжения) от действия поперечных сил и крутящего момента. Особенности в работу обшивки в фюзеляже вносит то, что герметезированные его отсеки (кабины) нагружаются значительным избыточным давлением. От этих нагрузок в обшивке возникают усилия в продольных сечениях и возможно возникновение местных изгибающих моментов.

Изготавливается обшивка из металлических листов, которые формуются по профилю поверхности фюзеляжа и затем крепятся к каркасу. Стыки листов располагаются на продольных и поперечных элементах каркаса. Возможно, особенно для обшивочных фюзеляжей, применение монолитных оребренных панелей и слоистой обшивки с легким, обычно сотовым, заполнителем. В последнее время получает распространение обшивка из композиционных материалов.

Стрингеры и лонжероны (усиленные стрингеры) совместно с обшивкой работают на нормальные напряжения от М_ИЗГ. Вместе с тем они подкрепляют обшивку при поперечном изгибе и увеличивают ее критические напряжения σ_к и τ_к. На стрингеры действуют также поперечные силы от воздушной нагрузки на обшивку и от обшивки, изогнутой после потери устойчивости.

Рис. 4. Типы стрингеров

Наиболее часто применяются стрингеры уголкового, Z-образного и Т-образного профилей. Для повышения сопротивления усталости в районах с большими знакопеременными нагрузками, например в районе акустических нагрузок, ставят стрингеры П-образного профиля с двойными полками для повышения жесткости заделки и улучшения условий работы обшивки. Стрингеры проходят по всей длине фюзеляжа или значительной его части. На участках больших вырезов устанавливают усиленные стрингеры, воспринимающие большие осевые силы от изгиба фюзеляжа. Крепят стрингеры к обшивке и шпангоутам.

Шпангоуты по назначению разделяются на нормальные (служат для придания формы фюзеляжу и для подкрепления обшивки и стрингеров) и усиленные (для восприятия поперечных сосредоточенных сил от крыла, оперения, шасси, двигателей и грузов и передачи их на обшивку). Шпангоуты, имея высокую жесткость в своей плоскости, хорошо работают на поперечный изгиб в своей плоскости, опираясь на обшивку. Типичные сечения шпангоутов показаны на рис. 5. Наличие двух поясов и стенки в сечениях шпангоутов обеспечивает их работу на изгиб и сдвиг, а также повышает сопротивление усталости при акустических нагрузках. Для повышения живучести шпангоуты часто делают составными из нескольких частей.

Усиленные шпангоуты выполняют часто в виде рам (рис. 6, а и б) или рам с глухой стенкой (рис. 6, в) – отсюда и название рамный или стеночный шпангоут. Они отличаются от нормальных шпангоутов мощностью поясов и толщиной стенок. Изготавливаются с помощью горячей штамповки (шпангоуты монолитной рамной конструкции) или из отдельных заготовок (шпангоуты сборно-клепаной рамной и стеночной конструкций).

Рис. 6. Варианты конструкции усиленных шпангоутов:

а, б – рамные; в - стеночный

Стенка стеночных шпангоутов подкрепляется уголками или стойками. Такие шпангоуты ставят обычно либо в хвостовой части фюзеляжа для организации узлов крепления лонжеронов киля (рис. 6, а, в) или на границе больших вырезов. Это объясняется тем, что загромождение фюзеляжа глухими поперечными стенками затрудняет использование внутренних объемов фюзеляжа. Отсюда широкое использование рамных шпангоутов, хотя встречаются и компромиссные решения.