Основы конструирования агрегатов планера

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

«МАИ»

КАФЕДРА 101

Курсовой проект по дисциплине: «Конструирование агрегатов планера»

Выполнил: студент группы 11-501

Папинигис О.В.

Руководитель: Акименко А.А.

Москва 2013



Содержание

Задание

1. Анализ конструкции разрабатываемого агрегата

1.1 Общие сведения

2. Определение нагрузок на элементы конструкции

2.1 Расчет внешних нагрузок, действующих на киль, построение эпюр ,Q и M_изг

3. Проектирование конструкции

3.1 Проектирование панели

3.2 Разработка стенки лонжерона

3.3 Разработка нервюры

3.4Разработка стыкового узла соединения

Список литературы



Задание

Г-4-1-а. Разработать вертикальное оперение пассажирского самолета местных авиалиний.

1)КСС оперения (количество и расположение стрингеров, лонжеронов, стенок, нормальных и усиленных нервюр)формировать в соответствии с геометрией оперения по предлагаемой к разработке КСС с учетом внешних нагрузок.

2)Построить в абсолютных величинах эпюры распределенной по размаху оперения погонной воздушной нагрузки , перерезывающей силы Q и изгибающего момента Мизг с учетом опирания на фюзеляж.

3)На основании принятой КСС и эпюры Q построить эпюру крутящего момента Мкр, считая, что линия центров давления расположена на 28% текущей хорды.

4)Произвести проектировочный расчет оперения на прочность в двух сечениях,рассчитать бортовую нервюру и узлы крепления оперения к опоре.

Рис. 1 задание: г-4, вариант 1, ксс-а



Таблица 1 Форма симметричного профиля несущей поверхности. Профиль № 0010.(в % от хорды)

	0	2,5	10	15	20	30	40	50	70	100
	0	2,18	3,90	4,46	4,78	5	4,84	4,40	3,05	0



1. Анализ конструкции разрабатываемого агрегата

1.1 Общие сведения

Прототипом задания является административный самолет Gulfstream G650.

В соответствии с требованиями технического задания Gulfstream G650 должен перевозить не менее 18 пассажиров (коммерческая нагрузка - 3,7 т) на практическую дальность 9260 км с крейсерской скоростью 955 км/ч на высоте 12497 -15545 м.

Модель G650 предлагает наибольшую дальность полета, наивысшую скорость и самый просторный и комфортабельный салон в своем классе G650 вправе похвастаться рекордными показателями дальности полета и скорости, не говоря уже о самом широком в ряде моделей Gulfstream салоне и сверхсовременной кабине пилотов. Он способен преодолеть 13000 км на скорости М=0.85 или 9500 км на скорости М=0.90. Благодаря передовой аэродинамической компоновке G650 развивает максимальную скорость М=0.925, что делает его самым быстрым гражданским самолетом нашего времени. Самолет может подняться на максимальную высоту, равную 51,000 футам (предлагаю заменить на 15500 м), для полетов над воздушным трафиком и зонами неблагоприятных погодных условий.

Рис.2 Прототип задания. Gulfstream G650.



Рис.3 Компоновочная схема Gulfstream G650.

Рис.4 Геометрия агрегата. Г-4-1-А. С указанием размеров.



2. Определение нагрузок на элементы конструкции

2.1 Расчет внешних нагрузок, действующих на киль, построение эпюр ,Q и M_изг

В полете на киль действуют распределенные аэродинамические силы, приложенные непосредственно к обшивке в виде сил разряжения и давления, массовые силы конструкции киля, распределенные по всему объему киля, и сосредоточенные массовые силы от агрегатов (руль направления), приложенные в узлах навески.

Рис.5 Эпюры в абсолютных величинах

Располагаем передний лонжерон на расстоянии 20% от хорды b. А задний на 71,8% b.

Центр давлений располагаем на 25% b.

Мы рассматриваем 3 сечения, в которых находятся узлы навески руля направления.

Рис.6 Обозначения сечения: b- хорда, мм. Х₁ -координата оси переднего лонжерона от носка профиля, мм. Х₂ - координата центра давления (Ц.Д.)- точки приложения равнодействующей силы ?Q = Q₂, от носка профиля, мм. Х₃ - координата центра жёсткости (Ц.Ж.) от оси переднего лонжерона, мм. Х₄ -координата оси заднего лонжерона от носка профиля, мм. Х₅ - расстояние между лонжеронами, мм. Х₆ - расстояние от оси переднего лонжерона до координаты Ц.Д.,мм. Х₇ - координата оси узла навески руля направления (Р.Н.), мм. Q₁ - нагрузка на киль без учёта нагрузки на узел навески Р.Н., даН. Q₂ - нагрузка на киль с учётом нагрузки на узел навески Р.Н., даН. Q₃ = Q₂ - Q₁ - нагрузка на узел навески Р.Н., даН. Н_{пер.л-на} - строительная высота переднего лонжерона, мм. Н_{задн. л-на} - строительная высота заднего лонжерона, мм. - реактивная сила (реакция), действующая вдоль стенки переднего лонжерона от воздействия силы Q, даН. - реактивная сила (реакция), действующая вдоль стенки переднего лонжерона от воздействия крутящего момента М_крут., даН. - реактивная сила (реакция), действующая вдоль стенки заднего лонжерона от воздействия силы Q, даН. - реактивная сила (реакция), действующая вдоль стенки заднего лонжерона от воздействия крутящего момента М_крут., даН. F- площадь, ограниченная теоретическим контуром и осями переднего и заднего лонжеронами, мм². -высота середины контура.

Определение геометрических параметров и нагрузок, действующих в сечении 1-1. самолет киль аэродинамический

Сечение 1-1 - сечение, проходящее через верхний узел навески руля направления (Р.Н.)

b = 2177мм. (определено компьютером);

Х₁ = 20% = 02177435,4мм.

Х₂ = 25% = 0544,25мм.;

Х₄ = 71,8% = 01563,086мм.

Х₅ = Х₄ - Х₁ = 1563,086 - 435,4= 1127,686мм.

Х₆ = Х₂ - Х₁ = 544,25 - 435,4= 108,85мм.

Х₇ = 77% = 01676,29мм.

Считаем интенсивным методом трапеций. Q₀ = 0 даН

Q_{1в сл.} = Ѕ [ 536 + 455] • 0,327 = 162 даН

Q_{1в сл.} = Q_{1в сл.} - R_п.л. = 162 - 399 = - 237 даН

Q_{2 в. сл.} = Q_{1в сл} + Ѕ [455 + 161] • 1,198 = - 237 + 369 =132 даН

Q_{2в сл.} = Q_{2в сл.} - R_з.л. = 132 - 184 = - 52 даН

Q_3в = Q_{2в сл.} +1/2 · 161 • 0,652 = - 52 + 52,5 = 0,5 даН

Q_кр = q · Н_i

Q_кр0 = 0

Q_{кр.1 сл.} = q_кр.1 · Н_пл. = 122,4 • 0,192 = 23,5 даН

Q_{кр.1 сл.} = q_кр.2 · Н_пл.= 590 • 0,192 = 113,28 даН

Q_{кр.2 сл.} = q_кр.2 · Н_зл.= 590 • 0,131 = 77,29 даН

Н_{пер.л-на} = 2 4,3% . (для симметричного профиля 0010 при 20%-ном расположении переднего лонжерона высота профиля в одну сторону составляет 4,3% хорды).

Н_{задн. л-на} = 131мм (определено компьютером);

Распределение нагрузки ?Q = Q₂ между стенками переднего и заднего лонжеронов производится исходя из того, что данная нагрузка (условно) приложена в Ц.Ж. сечения, т.е. отсутствует крутящий момент. Распределение производится по формуле:

= ?Q = 591даН.

?Q = 277 даН.



Проверка: + = 868 даН.

Итак: = 591 даН; 277 даН.

Определение Ц.Ж. - точки, относительно которой сумма моментов от действия сил и

Х_3.= = 188,60мм.

Расстояние от Ц.Ж. до Ц.Д. Х₈ = Х₃ - Х₆ = 188,60- 108,85= 79,75мм.

Крутящий момент М_крут.= ?Q Х₈ = 75 65100

Площадь контура F = = 182121,935 мм².

Поток касательных напряжений = = 0,179 = .

= Н_{пер.л-на} =

Суммарная перерезывающая сила для переднего лонжерона

? = + даН.

= Н_{зад..л-на} = 36,2

Суммарная перерезывающая сила для заднего лонжерона

? = - даН.

В данном сечении в обшивке действует поток 0,179 .

,

,

Расчет: =даН/мм.

Определение геометрических параметров и нагрузок, действующих в сечении 2-2.

Сечение 2-2 - сечение, проходящее через средний узел навески Р.Н.

Определение геометрических параметров и нагрузок, действующих в сечении 2-2.

Сечение 2-2 - сечение, проходящее через средний узел навески Р.Н.

b = 1212мм. (определено компьютером); Х₁ = 20% = 242,4мм.

Х₂ = 25% = 303мм.; Х₄ = 71,8% = 870,216мм.

Х₅ = Х₄ - Х₁ = 627,819мм. Х₆ = Х₂ - Х₁ = 60,6мм.

Х₇ = 77% = 933,24мм.

Q₁ = 0,47 13800 = 6486 даН.

Q₂ = 0,62 13800 = 8556 даН.

Q₃ = Q₂ - Q₁ = 8556 - 6486 = 2070 даН.

Н_{пер.л-на} = 2 4,3% мм. (для симметричного профиля 0010 при 20%-ном расположении переднего лонжерона высота профиля в одну сторону составляет 4,3% хорды).

Н_{задн. л-на} = 128,5мм (определено компьютером);

Распределение нагрузки ?Q = Q₂ между стенками переднего и заднего лонжеронов производится исходя из того, что данная нагрузка (условно) приложена в Ц.Ж. сечения, т.е. отсутствует крутящий момент. Распределение производится по формуле:



= ?Q = 8556 = 6249,2даН.

?Q = 8556 = 2306,8 даН.

Итак: = 6249,2даН; 2306,8даН.

Определение Ц.Ж. - точки, относительно которой сумма моментов от действия сил и

Х_3.= = мм.

Расстояние от Ц.Ж. до Ц.Д. Х₈ = Х₃ - Х₆ = 108,7 мм.

Крутящий момент М_крут.= ?Q Х₈ = 930037,2

Площадь контура F = = 106729,23 мм².

Поток касательных напряжений = = = 5,9 .

= Н_{пер.л-на} =

Суммарная перерезывающая сила для переднего лонжерона

? = + 6862,183 даН.

= Н_{зад..л-на} =

Суммарная перерезывающая сила для заднего лонжерона



? = - 1934,373 даН

В данном сечении в обшивке действует поток 2,8982 .

,

,

Расчет =28,14 даН/мм.

Определение нагрузок,действующих в сечении 2'-2'(сечение максимального общего действия .

b = 2573,3 мм. (определено компьютером);

Х₁ = 20% = 0514,66мм.

Х₂ = 25% = 0720,52мм.; Х₄ = 71,8% = 01847,63мм.

Х₅ = Х₄ - Х₁ = 1847,63- 514,66 = 1332,64мм. Х₆ = Х₂ - Х₁ = 720,52- 514,66= 205,86мм.

Х₇ = 77% = 01981,44 мм. Q₁ = 9182 даН. (снято с эпюры Q).

Н_{пер.л-на} = 2 4,3% мм. (для симметричного профиля 0009 при 20%-ном расположении переднего лонжерона высота профиля в одну сторону составляет 4,3% хорды). Н_{задн. л-на} = 134,6 мм (определено компьютером);

Распределение нагрузки Q₁ между стенками переднего и заднего лонжеронов производится исходя из того, что данная нагрузка (условно) приложена в Ц.Ж. сечения, т.е. отсутствует крутящий момент. Распределение производится по формуле:

= Q₁ = 9182 = 6702,5 даН.

Q₁ = 9182 = 2479,5 даН.

Проверка: + = 6702,5 + 2479,5 = 9182= 9182 даН.

Итак: = 6702,5 даН; 2479,5 даН.

Определение Ц.Ж. - точки, относительно которой сумма моментов от действия сил и

Х_3.= = 359,86 мм.

Расстояние от Ц.Ж. до Ц.Д. Х₈ = Х₃ - Х₆ = 359,86 -205,86= 154 мм.

Крутящий момент М_крут.= Q₁ Х₈ = 9182

Площадь контура F = = 237143,28 мм².

Поток касательных напряжений = = = 2,98 .

= Н_{пер.л-на} = 659,78

Суммарная перерезывающая сила для переднего лонжерона



? = + 7362,28 даН.

= Н_{зад..л-на} = 401,11

Суммарная перерезывающая сила для заднего лонжерона

? = - 2078,39даН.

В данном сечении в обшивке действует поток 2,98 .

,

,

Расчет: =32,41 даН/мм.

Определение геометрических параметров и нагрузок, действующих в сечении 3-3.

Сечение 3-3 - сечение, проходящее через нижний узел навески Р.Н.

b = 3161мм. (определено компьютером);

Х₁ = 20% = 0632,2мм.

Х₂ = 25% = 0885,08мм.; Х₄ = 71,8% = 02269,59мм.

Х₅ = Х₄ - Х₁ = 2269,59- 632,2= 1637,39мм. Х₆ = Х₂ - Х₁ = 885,08- 632,2= 252,88мм.

Х₇ = 77% = 02433,97мм. Q₁ = 0,94 13800 = 12972 даН. Q₂ = 0,99 13800 = 13662 даН. Q₃ = Q₂ - Q₁ = 13662- 12972 = 690 даН. Н_{пер.л-на} = 2 4,3% мм.

Для симметричного профиля 0009 при 20%-ном расположении переднего лонжерона высота профиля в одну сторону составляет 4,3% хорды. Н_{задн. л-на} = 165,2мм (определено компьютером);

Распределение нагрузки ?Q = Q₂ между стенками переднего и заднего лонжеронов производится исходя из того, что данная нагрузка (условно) приложена в Ц.Ж. сечения, т.е. отсутствует крутящий момент. Распределение производится по формуле:

= ?Q = 13662 = 9976,482даН.

?Q = 13662 = 3685,518даН. Проверка: + = 9976,482+ 3685,518= 13662= 13662 даН.

Итак: = 9976,482 даН; 3685,518 даН.

Определение Ц.Ж. - точки, относительно которой сумма моментов от действия сил и

Х_3.= = 441,71 мм.

Расстояние от Ц.Ж. до Ц.Д. Х₈ = Х₃ - Х₆ = 441,71 - 252,88= 188,831мм.

Крутящий момент М_крут.= ?Q Х₈ = 13662 2579814

Площадь контура F = = 357771,46мм².

Поток касательных напряжений = = = 3,6054;

= Н_{пер.л-на} = 979,946

Суммарная перерезывающая сила для переднего лонжерона

? = + 10956,428даН.

= Н_{зад..л-на} = 595,611

Суммарная перерезывающая сила для заднего лонжерона

? = - 3089,907даН.

В данном сечении в обшивке действует поток 3,6054 .

Результаты расчётов (расчётные нагрузки) приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Номера сечений	Потоки в плоскости панелей даН/мм	Перерезывающие силы по стенкам лонжеронов даН
	qу	qф	Передний лонжерон ?	Задний лонжерон ?
1-1	3,42	0,579	663,925	187,38
2-2	28,14	2,8982	6862,983	1934,373
2'-2'	32,41	2,98	7362,28	2078,39
3-3	0	3,6054	10956,428	3089,907



Рис.7. Сечения. Распределение перерезывающей силы Q[даН] по стенкам л-нов.

Рис.8 Положение центров жесткости, Мкрут [даН*мм] и [даН/мм].

Результаты представленной выше информации изображены на Рис.9

Рис. 9.Зоны действия и .



3. Проектирование конструкции с широким применением композиционных материалов (КМ)

В конструкциях панелей, стенок лонжеронов и в нервюрах применим углепластик КМУ-7Л и сотовый заполнитель.

3.1 Проектирование панели

Рассмотрим панель трёхслойную с обшивками из высокомодульного углепластика КМУ-7Л (ЛУ-24П + ВС - 2526К), = 21500 кгс/мм². [9].

1. При применении углепластика введём дополнительный коэффициент безопасности _доп.= 1,25, при этом расчетные нагрузки будут:

Результаты расчётов (расчётные нагрузки) приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Номера сечений	Потоки в плоскости панелей даН/мм	Перерезывающие силы по стенкам лонжеронов даН
	qу		Передний лонжерон ?	Задний лонжерон ?
1-1	4,275	0,72	829,9	234,22
2-2	35,18	3,61	8578,73	2417,97
2'-2'	40,5	3,73	9202,85	2598,0
3-3	0	4,51	13695,5	3862,38

Для этого определим геометрические параметры панели в каждом из сечений.

Материал: Панель трёхслойная с обшивками из высокомодульного углепластика КМУ-7Л (ЛУ-24П + ВС - 2526К), = 21500 даН/мм².

толщина обшивки не должна быть менее 0,5мм (технологическое и эксплуатационное ограничение).

Углепластик КМУ-7Л при температуре 20⁰С имеет следующие характеристики:

предел прочности при растяжении вдоль направления 0⁰ (вдоль основы) = 97 даН/мм²;

модуль упругости при растяжении вдоль направления 0⁰ = 21500 даН/мм²;

предел прочности при сжатии вдоль направления 0⁰ (вдоль основы) = 75 даН/мм²;

предел прочности при сдвиге = 6,2 даН/мм²;

предел прочности при сдвиге = 25,0 даН/мм²;

коэффициент Пуассона _0,90 = 0,25 (для однонаправленного слоя);

толщина одного слоя (монослоя) ₁ = 0,13мм.

удельный вес г=1,55 г/см³.

Расчет геометрических параметров панели в сечении 1-1.

1. При применении углепластика введём дополнительный коэффициент безопасности _доп.= 1,25, при этом расчетные нагрузки будут: q_у =3,42 х 1,25=4,275 даН/мм; q_ф = х 1,25 = 0,7237 даН/мм.

3. Направление 0⁰ для основы соответствует направлению действия нагрузки q_у, а направление для основы ⁰ соответствует направлению действия нагрузки q_ф. Исходя из этого, определим необходимую толщину КМУ для восприятия q_у и q_ф, имея ввиду то, что панель работает па сжатие.

Итак: = = = 0,057 мм. Количество слоёв с ориентацией 0⁰ будет n⁰ =4 слоя. Из соображений о восприятии нагрузок и условия, что толщина обшивки >0,5 мм.

= = = 0,028мм. Количество слоёв с ориентацией ⁰ будет n⁴⁵ = 4 слоя.

Всего имеем: n⁰ + n⁴⁵ = 4+4= 8 слоев, общая толщина которых равна =8 х 0,13 = 1,04мм. При данной толщине действующие напряжения равны:

= = = 4,11 даН/мм²; = = = 0,7 даН/мм²;

Определим пределы прочности и модуль упругости для данной укладки, для чего определим коэффициент укладки К_{укладки}.

Для направления 0⁰ (вдоль действия потока q_у) К_{укладки} = + 0,25 = + 0,25 = 0,75 + 0,06 =0,625. = 0,625 х 75 = 46,875даН/мм², а = 0,625 х 21500 = 13437,5 даН/мм².

Для направления ⁰ (от действия потока q_ф) х + х 6,2 + даН/мм².

При действии на конструкцию комбинации нагрузок: (растяжения или сжатия) по осям X (направление вдоль основы ленты) и У (направление вдоль утка) и сдвига в плоскости ХУ, предельное состояние пакета можно определить по критерию Цая-Хилла:

где: в числителях - действующие напряжения, а в знаменателях - пределы прочности по соответствующим направлениям.

При действии на конструкцию только и формула упрощается и принимает вид:

1. В нашем обозначении данная формула имеет вид:

= =0,01

Мы оставляем данную укладку из технологических соображений.

Расчет геометрических параметров панели в сечении 2-2.

1. При применении углепластика введём дополнительный коэффициент безопасности _доп.= 1,25, при этом расчетные нагрузки будут: q_у =28,14 х 1,25=35,175 даН/мм; q_ф = 2,89 х 1,25 = 3,6125 даН/мм.

3. Направление 0⁰ для основы соответствует направлению действия нагрузки q_у, а направление для основы ⁰ соответствует направлению действия нагрузки q_ф. Исходя из этого, определим необходимую толщину КМУ для восприятия q_у и q_ф, имея ввиду то, что панель работает па сжатие.

Итак: = = = 0,469 мм. Количество слоёв с ориентацией 0⁰ будет: n⁰ = = =3,6. Примем n⁰ =4 слоя.

= = = 0,14мм. Количество слоёв с ориентацией ⁰ будет: n⁴⁵ = = =1. Примем n⁴⁵ = 4 слоя.

Всего имеем: n⁰ + n⁴⁵ = 4+4= 8 слоев, общая толщина которых равна =8 х 0,13= 1,04 мм. При данной толщине действующие напряжения равны:

= = = 33,82 даН/мм²; = = = 3,473 даН/мм²;

Определим пределы прочности и модуль упругости для данной укладки, для чего определим коэффициент укладки К_{укладки}.

Для направления 0⁰ (вдоль действия потока q_у) К_{укладки} = + 0,25 = + 0,25 = 0,5 + 0,125 = 0,625. = 0,625х 75 = 46,875даН/мм², а = 0,625 х 21500 = 13437,5 даН/мм².

Для направления ⁰ (от действия потока q_ф) х + х 6,2 + даН/мм².

При действии на конструкцию комбинации нагрузок: (растяжения или сжатия) по осям X (направление вдоль основы ленты) и У (направление вдоль утка) и сдвига в плоскости ХУ, предельное состояние пакета можно определить по критерию Цая-Хилла:

где: в числителях - действующие напряжения, а в знаменателях - пределы прочности по соответствующим направлениям.

При действии на конструкцию только и формула упрощается и принимает вид:

1. В нашем обозначении данная формула имеет вид:

= =0,56

Можно оставить эту укладку и такое количество слоёв.

Расчет геометрических параметров панели в сечении 2'-2'.

1. При применении углепластика введём дополнительный коэффициент безопасности _доп.= 1,25, при этом расчетные нагрузки будут: q_у =32,41 х x1,25=40,51даН/мм; q_ф = 2,98 х 1,25 = 3,725 даН/мм.

3. Направление 0⁰ для основы соответствует направлению действия нагрузки q_у, а направление для основы ⁰ соответствует направлению действия нагрузки q_ф. Исходя из этого, определим необходимую толщину КМУ для восприятия q_у и q_ф, имея ввиду то, что панель работает па сжатие.

Итак: = = = 0,5401мм. Количество слоёв с ориентацией 0⁰ будет: n⁰ = = =4,15. Примем n⁰ =6 слоя.

= = = 0,149мм. Количество слоёв с ориентацией ⁰ будет: n⁴⁵ = = =1. Примем n⁴⁵ = 4 слоя.

Всего имеем: n⁰ + n⁴⁵ = 6+4= 10 слоев, общая толщина которых равна =10 х 0,13= 1,3 мм. При данной толщине действующие напряжения равны:

= = = 31,16 даН/мм²; = = = 2,86 даН/мм²;

Определим пределы прочности и модуль упругости для данной укладки, для чего определим коэффициент укладки К_{укладки}.

Для направления 0⁰ (вдоль действия потока q_у) К_{укладки} = + 0,25 = + 0,25 = 0,6 + 0,1 = 0,7. = 0,7х 75 = 52,5 даН/мм², а = 0,7 х 21500 = 15050 даН/мм².

Для направления ⁰ (от действия потока q_ф) х + х 6,2 + даН/мм².

При действии на конструкцию комбинации нагрузок: (растяжения или сжатия) по осям X (направление вдоль основы ленты) и У (направление вдоль утка) и сдвига в плоскости ХУ, предельное состояние пакета можно определить по критерию Цая-Хилла:

где: в числителях - действующие напряжения, а в знаменателях - пределы прочности по соответствующим направлениям.

При действии на конструкцию только и формула упрощается и принимает вид:

1. В нашем обозначении данная формула имеет вид:

= =0,4

Можно оставить эту укладку и такое количество слоёв.

Для сечения 3-3 мы оставляем такое же значение слоев как и в сечении 2'-2'.

1. Спроектированная обшивка отвечает требованиям прочности.

2. Необходимо определить высоту сотового заполнителя, обеспечивающего устойчивость панели при сжатии и при сдвиге (их действие одновременное).

Панель с полузащемлённым опиранием на каждую нервюру.

Для данной панели коэффициент защемления Расстояние между нервюрами 300мм. Зададимся высотой сот 8 мм. Проверим данную панель на устойчивость по формуле . Площадь сечения обшивок F = 2 х 0,65 х 10 = 13мм².

Рис.10

Момент инерции сечения J = 2 х 0,65х 10 х (⁴. Радиус инерции сечения , а ² = = = 18,7мм². .

Запас по устойчивости 1,6, а = 0,62.

Определение критического значения q_ф^крит. по формуле:



,

см. [2], (7.15), стр. 164 и [7], (10) стр. 271 (приведенные ниже формулы относятся к конструкции из металла. При применении композиционных материалов в обшивках и при применении сотового заполнителя не из металлов в формулы должны быть внесены корректировки), где: D - цилиндрическая жесткость трехслойной панели, у которой обшивки одинаковой толщины (д_обш), высота сот 2h, жесткостью сот можно пренебречь. D определяется по формуле [8], стр. 151

,

Е- модуль упругости материала обшивок. Для нашей обшивки из углепластика, для нашей укладки слоёв Е = 15050 даН/мм², толщина одной обшивки h = м-коэффициент Пуассона для углепластиковой обшивки данной укладки в двух направлениях: м_0,90 = 0,25, м_90,0 = 0,17 (по расчётам, проведённым в ЦАГИ), м² = м_0,90 х м_90,0 = 0,25 х 0,17 = 0,0425, а 1 - 0,0425 = 0,9575.

,

, где

L-большая длина стенки (ширина панели) L = Х₅ = 1332,64мм.

= = 1,85

m_s - коэффициент опирания кромок сотовых панелей при сдвиге, определяется по графику [2], рис. 7.55, стр. 165. Для определения m_s необходимо определить коэффициент параметра сдвига k по [7], (3), стр.269.

,

В₀

G-модуль сдвига сот. Соты ПСП с ячейкой а = 1,85мм, толщина стенки ячейки 0,04мм, удельный вес сот г=0,048 г/см³, высота сот h = 8мм. = 90

= = 0,005.

При и при K=0,005 по Рис.7.55 б) [2] m_s=10; где Н= 300мм (шаг нервюр).

= 1,85 = 1,8510 = 18,5. Действующее q_ф = 4,0 даН/мм

ф_{критич.}= = _. = 14,23 ф_{действ.}= 3,08

По критерию прочности: + = 0,62 + 0,047 = 0,6247. Запас равен = 1,6.

1. Спроектирована трёхслойная панель с обшивками из углепластика КМУ- 7Л с сотовым заполнителем ПСП следующей схемы расположения слоёв в сечениях 3-3;2'-2': 0⁰, +45⁰, 0⁰, -45⁰, 0⁰, соты, 0⁰,- 45⁰, 0⁰ +45⁰, 0⁰, где 0⁰- направление основы вдоль действия q_у.Для сечений 2-2,1-1: 0⁰, +45⁰, 0⁰, -45⁰, соты, - 45⁰, 0⁰ +45^0; 0⁰

2. Толщина каждой из обшивок = 0,65мм., высота сот = 8мм.

3. Шаг нервюр Н= 300мм., опирание на каждую нервюру - полузащемленное.

4. Данная панель удовлетворяет требованиям прочности и устойчивости при их совместном действии. Запасы по критерию прочности и устойчивости при совместном действии сжатия и сдвига

Таблица 4

Сечение	схема расположения слоев	Высота сот.	Толщина обшивки.
1-1	00, +450, 00, -450, соты, - 450, 00 +450; 00	8 мм	0,52 мм
2-2	00, +450, 00, -450, соты, - 450, 00 +450; 00	8 мм	0,52 мм
2'-2'	00, +450, 00, -450, 00, соты, 00,- 450, 00 +450, 00	8 мм	0,65 мм
3-3	00, +450, 00, -450, 00, соты, 00,- 450, 00 +450, 00	8 мм	0,65 мм

Рис. 11. Конструкционно-силовая схема киля.

Вид А-рис.13; Вид. Б-Б. рис.12

Рис.12.Б-Б (полузащемленное опирание.)

3.2 Разработка стенки лонжерона

Передний лонжерон рис.13. Материал: КМУ-7Л.

Рис.13. Передний лонжерон (вид А).

Для начала рассчитаем кол-во слоев.

Н_{пер.л-на} = 2 4,3% мм.

? =10956,428даН.

q_ф = =

При применении углепластика введём дополнительный коэффициент безопасности _доп.= 1,25, при этом расчетные нагрузки будут: q_ф = 40,31х 1,25 = 50,38даН/мм. Направление для основы ⁰ соответствует направлению действия нагрузки q_ф. Исходя из этого, определим необходимую толщину КМУ для восприятия q_ф, имея ввиду то,что необходим слой .

= = = 2,01мм. Количество слоёв с ориентацией ⁰ будет n⁴⁵ = = =15 слоев n⁴⁵ = 14 слоев.

Всего имеем: n⁰ + n⁴⁵ = 4+14= 18 слоев, общая толщина которых равна =18 х 0,13 = 2,34мм. При данной толщине действующие напряжения равны:

= = = 21,52 даН/мм²;

Определим пределы прочности и модуль упругости для данной укладки, для чего определим коэффициент укладки К_{укладки}.

Для направления 0⁰ (вдоль действия потока q_у) К_{укладки} = + 0,25 = + 0,25 = 0,22+ 0,194= 0,41. = 0,41х 75 = 30,75даН/мм², а = 0,41 х 21500 = 8815 даН/мм².

Для направления ⁰ (от действия потока q_ф) х + х 6,2 + даН/мм².

При действии на конструкцию комбинации нагрузок: (растяжения или сжатия) по осям X (направление вдоль основы ленты) и У (направление вдоль утка) и сдвига в плоскости ХУ, предельное состояние пакета можно определить по критерию Цая-Хилла:

где: в числителях - действующие напряжения, а в знаменателях - пределы прочности по соответствующим направлениям.

При действии на конструкцию только и формула упрощается и принимает вид:

1. В нашем обозначении данная формула имеет вид:

= =1,06 Можно оставить такую укладку, но с учетом другого коэффициента безопасности.

Для данной панели коэффициент защемления Расстояние между нервюрами 300мм. Зададимся высотой сот 5 мм.

Определение критического значения q_ф^крит. по формуле:

,

см. [2], (7.15), стр. 164 и [7], (10) стр. 271 (приведенные ниже формулы относятся к конструкции из металла. При применении композиционных материалов в обшивках и при применении сотового заполнителя не из металлов в формулы должны быть внесены корректировки), где: D - цилиндрическая жесткость, высота сот 2h, жесткостью сот можно пренебречь. D определяется по формуле [8], стр. 151

,

Е- модуль упругости материала обшивок. Для нашей стенки из углепластика, для нашей укладки слоёв Е = 8815 даН/мм², толщина одной обшивки h = м-коэффициент Пуассона для углепластиковой укладки в двух направлениях: м_0,90 = 0,25, м_90,0 = 0,17 (по расчётам, проведённым в ЦАГИ), м² = м_0,90 х м_90,0 = 0,25 х 0,17 = 0,0425, а 1 - 0,0425 = 0,9575.

2457,47205026,37207483,84-

где

L-большая длина стенки L = 300 мм.

= = 22,7

m_s - коэффициент опирания кромок сотовых панелей при сдвиге, определяется по графику [2], рис. 7.55, стр. 165. Для определения m_s необходимо определить коэффициент параметра сдвига k по [7], (3), стр.269.

,

В₀ 21542,66

G-модуль сдвига сот. Соты ПСП с ячейкой а = 1,85мм, толщина стенки ячейки 0,04мм, удельный вес сот г=0,048 г/см³, высота сот h = 5мм. = 90

= =0,01

При и при K=0,01 по Рис.7.55 б) [2] m_s=9;

= 22,7= 22,7*9= 204.3 . Действующее q_ф = даН/мм

ф_{критич.}= = _. = 87.3 ф_{действ.}=

= ,

Всё верно.

Оставляем высоту сот 5 мм.

3.3 Разработка нервюры

При применении углепластика введём дополнительный коэффициент безопасности _доп.= 1,25, при этом расчетные нагрузки будут: q_ф = 4,51 даН/мм. Направление для основы ⁰ соответствует направлению действия нагрузки q_ф. Исходя из этого, определим необходимую толщину КМУ для восприятия q_ф, имея ввиду то,что необходим слой .

= = = 0,18 мм. Количество слоёв с ориентацией ⁰ будет n⁴⁵ = = =1,38 слоев n⁴⁵ = 4 слоев.

Из технологически соображений берем 4 слоя n⁰ и n⁴⁵

Всего имеем: n⁰ + n⁴⁵ = 4+4= 8 слоев, общая толщина которых равна =8 х 0,13 = 1,04 мм. При данной толщине действующие напряжения равны:

= = = 4,33 даН/мм²;

Определим пределы прочности и модуль упругости для данной укладки, для чего определим коэффициент укладки К_{укладки}.

Для направления 0⁰ (вдоль действия потока q_у) К_{укладки} = + 0,25 = + 0,25 = 0,25+ 0,125= 0,375. = 0,375х 75 = 28,125 даН/мм², а = 0,375 х 21500 =8062,5 даН/мм².

Для направления ⁰ (от действия потока q_ф) х + х 6,2 + даН/мм².

При действии на конструкцию комбинации нагрузок: (растяжения или сжатия) по осям X (направление вдоль основы ленты) и У (направление вдоль утка) и сдвига в плоскости ХУ, предельное состояние пакета можно определить по критерию Цая-Хилла:

где: в числителях - действующие напряжения, а в знаменателях - пределы прочности по соответствующим направлениям. При действии на конструкцию только и формула упрощается и принимает вид:

1. В нашем обозначении данная формула имеет вид:

= =0,27

Всё верно.

Для данной панели коэффициент защемления Расстояние между нервюрами 300мм. Зададимся высотой сот 5 мм.

Определение критического значения q_ф^крит. по формуле:

,

см. [2], (7.15), стр. 164 и [7], (10) стр. 271 (приведенные ниже формулы относятся к конструкции из металла. При применении композиционных материалов в обшивках и при применении сотового заполнителя не из металлов в формулы должны быть внесены корректировки), где: D - цилиндрическая жесткость, высота сот 2h, жесткостью сот можно пренебречь. D определяется по формуле [8], стр. 151

,

Е- модуль упругости материала обшивок. Для нашей стенки из углепластика, для нашей укладки слоёв Е = 8062,5 даН/мм², толщина одной обшивки h = м-коэффициент Пуассона для углепластиковой укладки в двух направлениях: м_0,90 = 0,25, м_90,0 = 0,17 (по расчётам, проведённым в ЦАГИ), м² = м_0,90 х м_90,0 = 0,25 х 0,17 = 0,0425, а 1 - 0,0425 = 0,9575.

215,7472934,8473150,58

где

L-большая длина стенки L = 300 мм.

= = 8,01

m_s - коэффициент опирания кромок сотовых панелей при сдвиге, определяется по графику [2], рис. 7.55, стр. 165. Для определения m_s необходимо определить коэффициент параметра сдвига k по [7], (3), стр.269.

,

В₀ 9574,51

G-модуль сдвига сот. Соты ПСП с ячейкой а = 1,85мм, толщина стенки ячейки 0,04мм, удельный вес сот г=0,048 г/см³, высота сот h = 5мм. = 90

= =0,005

и при K=0,005 по Рис.7.55 б) [2] m_s=7;

= 8,01= 8,01*7= 56,06 .

ф_{критич.}= = _. = 53,9 ф_{действ.}=

= - большой запас прочности, но из технологических соображений мы вынуждены оставить данную высоты сот 5мм.

Итак разработана стенка лонжерона и нервюра.

Таблица 5

Сечение 3-3	схема расположения слоев	Высота сот.	Толщина
лонжерон	+450, -450, 00, +450,- 450 +450,00,-450, +450 соты, +450, -450, 00, +450,- 450 +450,00,-450, +450	5 мм	2,34 мм
нервюра	00, +450, 00, -450, соты, - 450, 00,+450, 00	5 мм	1,04 мм

Рис.13. Сечение 2-2.

3.4 Разработка стыкового узла соединения

М_изг= 14557250,8 даН*мм

Q= 10956,428 даН; H= 271,8 мм, L=543,6 мм

Выбор стыковых болтов.

Стыковые болты выбираются исходя из следующих условий:

1.Диаметр болта (d) должен быть как можно меньше, что даст возможность увеличить Н₁ (см.Рис.1). Это приведёт к уменьшению нагрузок на болты.

2.Материал болта должен быть из высокопрочной стали, что приведёт к повышению срезающей нагрузки на срез по одной плоскости (Р_ср.),располагая которой можно определить необходимое количество плоскостей среза при проектировании узла.

Рис. 14

Необходимое количество плоскостей среза при проектировании узла должно быть чётным и не превышать 10.

Выбираем: d=16мм. Материал болта- ВТ16 с у_в =84-125 кгс/мм². Расчетная разрушающая нагрузка на срез (Р_ср.), при t=25⁰С. Р_ср=12750 даН (по ОСТ1 31100-80).

Болт 16-L-Кд.фос.окс.-ОСТ1 31055-80 (материал ВТ16).

При отсутствии ОСТ1 31100-80 расчетную разрушающую нагрузку на срез (Р_ср.) можно определить по формуле: Р_ср.= ф_в F = 0,63у_{в =} 0,6384 = 10634,8даН, где: ф_в - предел прочности на срез, F - площадь поперечного сечения болта.

При дальнейшем расчёте примем Р_ср=12750 даН(по ОСТ1 31100-80).

Нагрузки, действующие на стыковые болты в точках 1,2.

· от изгибающего момента

53558 даН

· от перерезывающей силы Q:

o от изгибающего момента

24837

o от перерезывающей силы

5478,21

Итого, имеем:

P_H 78395

P_Q = 5478,21

Равнодействующая:

78586,18

В соответствии с [10], пункт 25.625 « Коэффициенты безопасности для стыковых узлов (фитингов)» примем дополнительный коэффициент безопасности , который относится ко всем частям стыкового узла, деталям крепления и к местам соединения частей узла.

Имеем расчетное значение нагрузки

R=78586,18^. 1,25= 98232даН

Определение количества плоскостей среза для восприятия нагрузки R.

Примем n=8 плоскостей среза.

Выбор материала кронштейна ВТ16.

у_в =85 кгс/мм², Е=11000 кгс/мм²

ф_в=0,5 у_в =0,5Ч85=42,5 кгс/мм²,

На Рис. показаны габариты узла, где: d=16мм, b= 32мм, x=8мм, у= 20-8=12мм, = 2, с = = = 1,5, К = 0,97 (по графику, см. выше п.3).

Рис. 15

На Рис.15 показана сила Р, действующая на 2 плоскости среза. Необходимо определить толщину” уха” а, исходя из возможных случаев разрушений, а именно: смятие (овализация) отверстия от болта, срез 2-х перемычек и разрыв “ уха “. Р = 2 = 2 = 24558кгс, где R- расчётное значение нагрузки (см.п.4); 10- количество плоскостей среза (см.п.5); 2- две плоскости среза (см. Рис.15).

Определим а, исходя из условия смятия отверстия от болта d=16мм.

В соответствии с 2 , стр.274, для проушин неподвижного разборного соединения у_см =у_в = 85 кгс/мм², тогда

а = 18,05

Примем а =20 мм, тогда: у_см = = = 76 кгс/мм²

Запас прочности по смятию = = 1,11.

Проверим “ ухо “ на срез по 2-м перемычкам (см. Рис.15).

Рис. 16

Предел прочности на срез для данного материала ф_в=0,5 у_в =0,5Ч85=42,5 кгс/мм².

Действующее напряжение ф_ср = = 38,37216 кгс/мм²

Запас прочности по срезу = = 1,1

Рис. 17

Проверим “ ухо “ на разрыв по 2-м перемычкам (см. Рис.18).

Рис. 18

При коэффициенте концентрации напряжения К = 0,97

допустимое значение у = 0,97? у_в = 0,97?85 = 82,45 кгс/мм².

Действующее напряжение на разрыв у = = = 76,7 кгс/мм²

Запас прочности на разрыв = = 1,07

д = =6,15=7 мм толщина кронштейна.

Рис. 19



Список литературы

1. Задачник к лабораторно-практическим занятиям по курсу «Конструирование агрегатов планера» Учебное пособие. Изд. МАИ, Москва 1987, 62с.ил. Авторы: Е.С. Войт, А.И. Ендогур и др.

2. «Проектирование конструкций самолетов». Изд. «Машиностроение», Москва, 1987. Авторы: Е.С. Войт, А.И. Ендогур и др.

3. А.И. Ендогур «Проектирование авиационных конструкций. Проектирование конструкций деталей и узлов». Изд. МАИ-ПРИНТ, Москва, 2009.

4. С.Н. Кан, И.А. Свердлов. «Расчет самолета на прочность» Изд. «Машиностроение», Москва, 1966.

5. М.Ф. Астахов, А.В. Караваев, С.Я. Макаров и Я.Я. Суздальцев «Справочная книга по расчету самолета на прочность» Гос. издательство оборонной промышленности, Москва, 1954.

6. Конструирование деталей. Учебное пособие к курсовому проектированию. Под редакцией И.А. Шаталова, МАИ, Москва 1985.

7. «Прочность, устойчивость, колебания», том 2. Справочник в трех томах под общей редакцией И.А. Биргера и Я. Г. Пановко. Изд. «Машиностроение», Москва, 1968.

8. С.Н. Кан «Строительная механика оболочек» Изд. «Машиностроение», Москва, 1966.

9. Акименко А. А. Инженерная методика проектирования авиационных конструкций из композиционных материалов (обобщение 20-ти летнего практического опыта), утверждённая начальником ОКБ Российской самолётостроительной корпорации “ МиГ “ Плясунковым С.А. 15.03.1997г

Размещено на Allbest.ru

...