Размещено на http://www.allbest.ru/

Создание агрегатов самолета из отдельных силовых элементов. Проектирование распределительных элементов: фитингов, накладок и косынок

План

1. Типы силовых элементов и их работа

2. Примеры силовой увязки конструкции

3. Алгоритм общего проектирования конструкций

1. Типы силовых элементов и их работа

Силовую увязку создаваемой конструкции необходимо проводить так, чтобы распределять действующие нагрузки на те элементы, которые способны их воспринимать. При этом надо учитывать, что чем короче будет путь передаваемой нагрузки, тем меньше будет масса конструкции. Рассмотрим основные образующие самолетные конструкции (элементы) с точки зрения их нагружения.

1. Стержни, способные работать только на осевые нагрузки растяжения и сжатия (с потерей и без потери устойчивости). В самолетных конструкциях они составляют два класса элементов. Элементы первого класса изолированно работают на осевые нагрузки и имеют контакт с основной конструкцией только в концевых опорах; к таким элементам относится тяги управления самолетом, ферменные конструкции, подкосы стоек шасси, тяги подвески двигателя; для этих элементов основными характеристиками при работе на растяжение является площадь сечения, при работе на сжатие - длина и собственный момент инерции. Оптимальными для таких конструкций являются замкнутые симметричные формы сечения (рис. 19.1).

Элементы второго класса имеют связь с основной конструкцией на протяжении всей своей длины; к таким элементам относятся стрингеры, подкрепляющие обшивку, с некоторым допущением пояса лонжеронов (рис.19.2). При расчете таких элементов конструкции на сжатие необходимо учитывать переносный момент инерции ввиду участия и в восприятии изгиба всего сечения конструкции.

2. Тонкостенные двухпоясные плоские балки (рис. 19.3), способные воспринимать только нагрузки, действующие в их плоскости, работая при этом на изгиб и срез. Такие могут быть выполнены как единое целое, могут быть и составными из поясов, стенок и стоек. Пояса этих элементов работают практически только на осевые усилия, отличаясь от стержней тем, что напряжения в их сечениях не постоянны, а изменяются по высоте по линейному закону, достигая максимума в волокнах, наиболее удаленных от нейтральной оси. В самолетных конструкциях такими балками являются лонжероны, нервюры, защитные шпангоуты.

3. Стенки, передающие в своей плоскости перерезывающие и осевые силы. Это разного рода плоские кронштейны, накладки (рис.19.4).

4. Криволинейные брусья, образующие рамы (рис19.5), работающие на изгиб, срез и растяжение своей плоскости. Это большей частью шпангоуты фюзеляжа. Их основными параметрами является момент инерции сечения.

5. Тонкостенные замкнутые оболочки, способные воспринимать крутящий момент (рис.19.6). Такими оболочками являются обшивки всех основных агрегатов планера самолета. Характерным параметром этих оболочек является максимальная площадь контура (при принятой толщине обшивки).

6. Балки, работающие на все виды нагрузок во всех плоскостях (рис.19.7). Это элементы конструкции шасси - цилиндры амортизатора, траверсы, рычаги подвески колес, вилки, оси цельноповоротных плоскостей и др.

2. Примеры силовой увязки конструкции

Пространственная тонкостенная балка способна воспринимать все виды нагружения. Однако элементы, из которых она состоит, работают только на определенные нагрузки. Это надо учитывать при проектировании и соответствующим образом распределять действующие силы, т.е. осуществлять силовую увязку конструкции, вводя промежуточные элементы в виде косынок, накладок и фитинов. Рассмотрим ряд примеров силовой увязки конструкции.

Проведем силовую увязку конструкции в зоне крепления к продольной балке 1 кронштейна, нагруженного поперечной силой Р. Поскольку в двухпоясной тонкостенной балке поперечную силу способна воспринимать только ее стенка, то кронштейн должен крепиться к ней (рис.19.8, а) соответствующим числом заклепок или болтов. Но помимо поперечной силы в плоскости крепления кронштейна действует изгибающий момент М = Рс (с - расстояние от точки приложения силы Р до балки 1), который не способна воспринять продольная балка, так как он действует не в ее плоскости. Осевые силы N от момента могут воспринять и передать на обшивку только пояса поперечных балок 3. В связи с этим необходимо ввести конструктивный элемент - фитинг, осуществляющий силовую увязку точек крепления кронштейна с поясами поперечных балок. Один из возможных типов фитинга представлен на рис. 19.8, а. Основание фитинга связано с болтом, передающим осевую силу N , верхняя и боковые грани фитинга крепятся заклепками к поясу балки 3. Опасным сечением фитинга является его сечение по первому ряду заклепок, которыми он крепится к поясу поперечной балки. Площадь этого сечения определяется как

,

где F_ф - площадь сечения фитинга, ослабленная отверстиями под первый ряд заклепок; N - осевая сила.

При выборе диаметра заклепок на смятие проверяют как сечение фитинга, так и сечение пояса поперечной балки F_см = d_з = Р_з/_в, где - толщина пояса или фитинга; Р_з - усилие приходящееся на одну заклепку; _в = _в = _см - напряжение смятия.

Потребное число заклепок крепления фитинга определяют на основании передачи на пояс полной силы N. По мере передачи фитингом силы на пояс, его сечение должно уменьшатся для уменьшения массы конструкции.

На рис.19.8 (5.11), а приведена силовая увязка кронштейна с широко растянутым основанием. Такое решение конструкции кронштейна не является оптимальным, так как основание будет работать на изгиб. Целесообразнее выполнить кронштейн уже и провести его силовую завязку на одну поперечную балку, установленную как продолжение плоскости кронштейна. Пояс балки при этом должен быть таврового сечения, и фитинги надо устанавливать с левой и правой сторон балки. Но в этом случае пояс балки должен быть рассчитан на восприятие одновременно нагрузки, равной 2N. Фитинги рассчитывают по приведенной выше методике. При малой строительной высоте продольной и поперечной балок бывает целесообразно применять с каждой стороны по одному общему фитингу, как показано на рис. 19.8, б. Для повышения жесткости фитинга в зоне передачи силы Р на нем устанавливаются дополнительные ребра.

Рассмотрим силовую увязку конструкции при передаче на поперечную балку большой внешней поперечной силы (рис.19.9). Для передачи силы с внешней стороны пояса балки поверх обшивки установлен кронштейн. Так как поперечную силу способны воспринимать только стенки двухпоясных балок, то необходимо предусмотреть дополнительный связующий элемент - фитинг, снимающий с пояса и передающий на стенку действующую силу. Подошва фитинга крепится болтами к внутренней стороне пояса балки (эти же болты используются для крепления внешнего кронштейна). К стенке балки фитинг крепится заклепками, работающими на срез от действия силы Р. Диаметр заклепок определяют по величине действующей силы и из условия смятия стенки балки. Потребное сечение фитинга находится при расчете его на разрыв по первому ряду заклепок под действием полной силы Р. Толщина фитинга определяется из условия его смятия под заклепками.

Рассмотрим силовую увязку конструкции при передаче на нее внешней силы, действующей параллельно продольной балке на расстоянии с от ее плоскости (рис.19.10). С кронштейна сила передается болтами на нижний пояс балки. Возникающий за счет выноса кронштейна момент М=Рс трансформируется в пару сил N=Pc/а, передаваемую фитингом на стенку. Число заклепок крепления фитинга определяется величиной действующей силы N и условием смятия стенки под заклепками. Для предотвращения раскрытия пояса балки из-за несовпадения плоскости болтов, передающих силу N, и плоскости среза заклепок крепления фитинга к стенке предусмотрены по два ребра.

Рассмотрим силовую увязку конструкции в зоне изменения направления (излома) пояса продольной балки (рис.19.11). Так как пояс способен воспринимать только осевую силу, действующую в его плоскости, то в зоне излома появляется неуравновешенная боковая сила S. Воспринять такую силу способны только пояса поперечной балки, которую и требуется установить в месте излома (балка 3). Для передачи сил в требуемом направлении можно использовать накладку 4 (рис.19.11, б). Сечение накладки возрастает по мере восприятия силы N₁ с пояса и уменьшается с передачей этой силы по двум направлениям. Число заклепок крепления накладки определяется величиной передаваемых сил. С целью экономии массы конструкции можно было бы постепенно утолщать накладку, соответственно уменьшая толщину поясов по мере их разгрузки (рис.19.11, б, сечение А - А). Но такое конструктивное решение трудно выполнить технологически. Поэтому чаще накладку изготавливают постоянной толщины, изменяя ее потребное сечение только за счет ширины. В зоне установки прокладки пояса или подсекаются, или подфрезеровываются. На рис. 19.11, в приведено другое конструктивное решение, выполненное при помощи фитингов, устанавливаемых внутри поясов продольной и поперечной балок. Конфигурация фитингов должна быть такой, чтобы они могли передать силу N₁ от пояса балки в виде сил N₂ и S на два пояса в зоне излома. Любые сосредоточенные нагрузки, приложенные внутренним конструктивным элементам агрегатов (крыла, фюзеляжа и т.д.), не могут уравновеситься внутри конструкций, а должны быть переданы на элементы внешней поверхности - обшивку, стрингеры, пояса лонжеронов.

В качестве примера силовой увязки конструкции при восприятии продольной силы, приложенной внутри конструкции к нервюре или шпангоуту, рассмотрим приведенную на рис. 19.12 схему. На силовую нервюру или усиленный шпангоут надо установить кронштейн, нагруженный силой, перпендикулярной плоскости шпангоута (нервюры). Для восприятия силы Р устанавливается фитинг 1 , выполненный в виде двухпоясной балки. Фитинг соединен болтами 2 через стенку шпангоута (нервюры) с подошвой кронштейна. В зоне передачи нагрузок от болтов на фитинге могут быть предусмотрены усиления в виде накладок или ребер. Одним из поясов фитинг крепится к внешнему контуру (обшивке); число заклепок 3 определяется из условия передачи на внешний контур полной силы Р при отсутствии его смятия. Смещение на расстояние а линии действия силы Р по отношению к плоскости среза заклепок 3 вызывает момент М = Ра, воспринимаемый стенкой фитинга. При проектировочном расчете, учитывая, что жесткость фитинга в поперечном направлении больше жесткости обшивки, можно принять, что этот момент уравновешивается парой сил N =M/l. эти силы догружают болты 2 и заклепки или болты 4 и воспринимаются стенкой шпангоута (нервюры).

На рис. 19.13, а показан фитинг треугольной формы, воспринимающий нагрузку от кронштейна. В этом случае, так как на шпангоуте нет второй опоры, изгибающий момент будет вызывать дополнительные осевые усилия в заклепках и догружать изгибающим моментом элемент панели и сдвигающей силой N стенку шпангоута. Для усиления панели в зоне крепления фитинга желательно установить связанный с ним усиленный стрингер. Последний будет при этом работать на изгиб на пролете между двумя шпангоутами, опираясь на них как на опоры. Нагрузкой будут являться растягивающие усилия от заклепок (см. рис. 19.13, б). Равнодействующая этих сил равна N и приложена в центре тяжести треугольника нагрузок. силовой элемент конструкция крепление

На рис. 19.14 приведен фитинг, передающий на контур горизонтальную составляющую S силы, действующей по поясу лонжерона киля. Расчет этого фитинга аналогичен расчету конструкции, приведенной на рис. 19.12.

3. Алгоритм общего проектирования конструкций

Все рассмотренные выше положения не исчерпывают всех принципов проектирования. Многие положения вырабатываются конструктором по мере накопления собственного опыта. На первых порах, когда у конструктора еще не выработался профессиональный автоматизм, позволяющий охватить поставленную задачу комплексно, можно рекомендовать следующий алгоритм проектирования:

1) в соответствии с наложенными ограничениями и внешними условиями разработать функциональную (силовую, кинематическую, установочную) схему системы;

2) выбрать вид и тип соединений, в том числе крепежных деталей и элементов соединений;

3) учитывая эксплуатационные условия, выбрать материал конструкции и тип заготовок для получения деталей;

4) учитывая технологические ограничения, способы производства, масштаб производства, определить вид обработки заготовок, точность сопряжений;

5) в результате проектировочных расчетов выбрать окончательную форму сечений и их размеры;

6) вычертить конструкции и нанести на чертеж всю необходимую информацию (размеры, номера деталей, технические указания и т.д.);

7) оформить расчеты прочности и специальные расчеты, сопутствующие процессу проектирования.

Ключевые слова и выражения

Стержень, тонкостенная двухпоясная балка, тонкостенная замкнутая оболочка, криволинейный брус, фитинг, накладка,

Контрольные вопросы

Что такое стержень?

Какие факторы влияют на выбор формы поперечного сечения стержневых элементов?

Какие нагрузки воспринимает тонкостенные двухпоясные плоские балки?

Приведите пример тонкостенной замкнутой оболочки.

Какие дополнительные элементы используются при силовой увязки конструкции?

Как определяется потребное число заклепок для крепления фитинга?

Как осуществляется силовая увязка конструкции при передаче на поперечную балку большой поперечной силы?

Поясните силовую увязку конструкции в зоне излома пояса продольной балки.

Приведите типовой алгоритм проектирования распределительных элементов.

Литература

1. Войт Е.С., Ендогур А.И., Мелик-Саркисян З.А., Алявдин И.М. Проектирование конструкций самолетов. М.: Машиностроение, 1987. Стр. 103-113.

Размещено на Allbest.ru