Проектирование нормальных (типовых) шпангоутов

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Проектирование нормальных (типовых) шпангоутов

План

1. Общие понятия по проектированию шпангоутов

2. Назначение и формы нормальных шпангоутов

3. Расчет и выбор параметров шпангоутов

4. Рациональные принципы проектирования нормальных шпангоутов

1. Общие понятия по проектированию шпангоутов

Поперечный набор каркаса фюзеляжа составляют шпангоуты - нормальные и усиленные. Они представляют собой замкнутые рамы кольцевой или близкой к ней формы. На стадии предварительной разработки приведенные формы шпангоутов к традиционной круглой или овальной позволяет упростить их проектирование и расчет.

В общем случае внешние силы, нагружающие шпангоуты, уравновешиваются на обшивке потоком распределенных касательных усилий. В сечениях самих шпангоутов при этом возникают внутренние изгибающий момент, поперечная и осевая силы (рис. 1), величину которых находят по классической методике для кольцевых рам. По известным моменту и силам можно определить нормальные напряжения в поясах и касательные - в стенках шпангоута

(1)

(2)

- толщина стенки шпангоута; h - высота сечения шпангоута.

Прочность шпангоутов и их параметры, как правило, определяют из условия нагружения их изгибающим моментом.

Рис. 1. Внутренние усилия, возникающие в шпангоуте

Совместно со шпангоутами всегда работает и обшивка, жесткость которой на изгиб по сравнению со шпангоутами близка к нулю. Это обстоятельство требует от конструктора особого подхода при выборе параметров соединения из условия равнопрочности. Чем меньше жесткость шпангоутов, тем тщательнее следует выбирать их параметры тем меньшей массы можно получить конструкцию соединения с обшивкой.

2. Назначение и формы нормальных шпангоутов

Нормальные шпангоуты предназначены для восприятия местной аэродинамической нагрузки и обеспечении соответствующей опоры для стрингеров и обшивки. Внешняя нагрузка, действующая на шпангоут, невелика, поэтому строительная высота шпангоута получается небольшой - достаточной, чтобы воспринять приходящиеся на него нагрузки, и вместе с тем не препятствовать свободному использованию внутреннего объема фюзеляжа. Кроме того, под действием аэродинамических нагрузок (для дозвуковых самолетов практически равномерно распределенных по ободу) шпангоуты оказываются самоуравновешенными и в основном работающими на разрыв. Поэтому в большинстве случаев для нескоростных, небольших самолетов нормальные шпангоуты детально не рассчитываются, а выбираются по конструктивным соображениям из условия равножесткости с панелями. Однако для крупных самолетов (D_ф3,5 м) (по соображениям сохранения удовлетворительных весовых характеристик) и для фюзеляжей больших удлинений (_ф>8) (из-за возрастания нагрузок в плоскости шпангоутов необходимо рассчитывать.

Рассчитывают также шпангоуты фюзеляжей сложной формы, например, образованные дугами пересекающихся окружностей или имеющие в плоскости одну (или две) распорку - ригель (как элемент пола кабины). Наличие узловых точек у таких шпангоутов приводит к скачкообразному изменению напряжений в этих местах. А это, в свою очередь, требует местного усиления зон соединения или специальных мер по закреплению балок пола.

В большинстве конструкций пассажирских и грузовых самолетов рассчитывается значительное число таких шпангоутов, и все они находятся примерно одинаковых условиях нагружения. Упрощенная схема их расчета строится в предположении, что уравновешивание шпангоута происходит на боковинах на длине контура l = R, где сосредоточено примерно 75% всех распределенных сил q. Внутренние усилия в шпангоуте благодаря наличию балок-ригелей перераспределяются таким образом, что верхний полусвод оказывается нагруженным очень мало. Нормальные напряжения от M_изг в поясах составляют 0,7….0,75 от _max, возникающих непосредственно сверху или снизу около ригелей. Конструктивно нижний полусвод из-за малой строительной высоты оформляется в виде балки, зашитой стенкой до обода шпангоута включительно, или ригельно-стоечной стержневой системой.

При действии внутреннего избыточного давления напряжения в шпангоутах не превышают, как правило, напряжений от внешних сил и только значительно возрастают в наружных поясах на самом нижнем участке вследствие одновременного воздействия изгибных и радиальных нагрузок от обшивки.

3. Расчет и выбор параметров шпангоутов

Параметры нормальных шпангоутов наиболее распространенных сечений - z-образных, швеллерных и двутавровых - можно выбирать исходя из установившихся в практике проектирования следующих рекомендаций:

- высота стенки шпангоута для небольших фюзеляжей (D_ф1,5 м) принимается h_ст = 0,02 D_ф, а для фюзеляжей D_ф>2 м h_ст = (0,025…0,03) D_ф;

- ширина полок шпангоутов b_п 0,5h_ст. В составных шпангоутах, имеющих обод и компенсатор, ширина полок уменьшается до 0,3h_ст;

- толщину полки _п выбирают с учетом типа панели и вида соединения ее со шпангоутом. Так, если обшивка выполнена из листа _обш<2,5 мм, то желательно, не увеличивая чрезмерно жесткость поясов, сохранять отношение _п/_обш = 1,0….1,3.

Если необходимо определить параметры расчетным путем, то, прежде всего надо знать действующие в рассматриваемых сечениях нагрузки. При изгибе внешние нагрузки определяются известными методами [9] по формуле:

(3)

где (4)

R - радиус фюзеляжа;

q_max максимальная распределенная нагрузка;

_обш - толщина обшивки;

а - шаг шпангоутов;

M_max - максимальный изгибающий момент;

E - модуль упругости материала;

J - момент инерции шпангоута с присоединенной обшивкой.

Вид нагружения, типовая эпюра изгибающего момента и расчетные сечения показаны на рис. 3.

Рис. 3. Нагружение и эпюра изгибающего момента нормального шпангоута

В общем случае по имеющимся величинам М_изг, Q и N для шпангоута по формулам (1) и (2) можно определить нормальные напряжения в поясах и касательные напряжения в стенке.

Дополнительно по величине М_max можно приближенно определить радиальные напряжения _r в стенке шпангоута, которые возникают в ней в результате работы на изгиб шпангоута как кривой балки

_r = N_ц/(R), (5)

Где N_п = М/h_шп; (6)

N_п - осевое усилие в поясе.

Величину допускаемых напряжений в стенке следует уточнить из условия недопущения потери ею устойчивости

_кр = 8,6₀, (7)

Где ₀ = 0,95E/(b/)²; (8)

b - расстояние по стенке между осями стрингеров (если на стенке предполагаются ребра или подкрепляющие стойки, то за b принимается расстояние между ними).

Зная осевое усилие N_п, можно подобрать соответствующие параметры поясов шпангоутов. В тех случаях, когда определяющими являются возрастающие воздушные нагрузки, как следствие увеличивающегося расстояния между шпангоутами, параметры нормальных шпангоутов симметрично по всему обводу и расчетная величина поверхностного давления р^расч = р^эксf0,310⁵1,5 = 0,4510⁵ Па. Тогда на шпангоут будет действовать нагрузка q_min = р^расча, (9), а напряжения определяется по формуле

, (10)

где F_сеч - площадь сечения шпангоута

В проектировочных расчетах не следует опасаться некоторого увеличения высоты стенки шпангоута, поскольку на предварительном этапе, как правило, не учитываются ослабления стенки и потери ее площади за счет вырезов - просечек под стрингеры. Принимая во внимание только технологические ограничения на размеры и форму вырезов, можно убедиться, что их площадь составляет 8….11% полной площади стенки.

Стандартами предусмотрены разнообразные формы вырезов, соответствующие размерам и типу стрингеров. На рис. 4 представлены некоторые типовые вырезы.

Рис. 4. Типовые вырезы в стенках шпангоутов

Для повышения выносливости и предотвращения раннего образования трещин в вырезах всех типов надо делать возможно большие радиусы вершин просечек или выполнять их в виде полукруга (см. рис. 4, в) с отбортовкой. нормальный шпангоут фюзеляж напряжение выносливость

Применение отогнутых лапок, так называемых компенсаторов (см. рис. 4, а) можно рекомендовать в малонагруженных соединениях для компенсации возможных внесенных при клепке монтажных напряжений и даже местных повреждений. Если позволяет конструкция, их лучше заменить отдельным уголком, особенно для нагруженных шпангоутов, например в зоне гермокабин.

Шпангоуты необходимо соединять с обшивкой через компенсаторы, в промежутках между которыми пропускаются стрингеры (рис. 5).

Рис. 5. Соединение шпангоутов с обшивкой через компенсаторы: 1 - обод шпангоута; 2 - компенсатор

По мере увеличения размеров фюзеляжей растут и размеры отдельных его элементов, в том числе высоты стенок шпангоутов. При высоте стенки 120….150 мм и выше шпангоуты целесообразнее делать составными: из обода и компенсатора - это проще в технологическом (легче обеспечить точную форму элементов и скомпенсировать сборочные погрешности) и в конструктивном отношениях (возможно более гибкое варьирование толщинами, формой элементов, их жесткостями и т.п.) (рис. 6).

Рис. 6. Примеры составных шпангоутов

На рис. 7 показаны схемы сечений четырех шпангоутов. Сравнение результатов усталостных испытаний шпангоутов этих схем показывает, что ограничители (см. рис. 7, б, в) и особенно симметричные (см. рис. 7, г) значительно увеличивают долговечность шпангоута при незначительном увеличении его массы.

Рис. 7. Схемы сечений шпангоутов повышенной долговечости

Ослабления просечками могут вызвать нежелательный эффект складкообразования в верхней части стенки, пружинение ее и волнообразование в обшивке около шпангоутов. Все это вместе взятое приводит к снижению ресурса конструкции. Чтобы избежать этого, целесообразно не завышать допускаемые критические напряжения в ослабленных вырезами элементах при выборе параметров панели и шпангоутов. График на рис. 8 позволяет выбрать параметры просечек по допускаемым напряжениям для случаев двустороннего подкрепления стенки профилем и для составной стенки. Применение ловушек в виде фасонных накладок также можно считать эффективным средством борьбы с трещинами, но при условии правильного определения вероятного направления их распространения (рис. 9).

Рис. 8. График для выбора параметров просечек в шпангоутах по допускаемым напряжениям

Рис. 9. Фасонные накладки - ловушки трещин

4. Рациональные принципы проектирования нормальных шпангоутов

Улучшение усталостных характеристик влечет за собой увеличение массы и усложнение технологии изготовления, и это, прежде всего, относится к составным шпангоутам. Поэтому чрезвычайно важно при разработках конструкции этого типа реализовать наиболее полно рациональные принципы проектирования. Перечислим ряд мер, полезность которых подтверждается практикой:

а) напряжения по сечению распределяются равномерно, если обод выполнять из профиля, а компенсатор - из листового материала примерно одинаковой толщины с обшивкой. В этом случае компенсатор выполняет не только технологическую функцию, но и, являясь упругим элементом, сдерживает чрезмерное увеличение жесткости;

б) отверстия облегчения в ободе лучше не делать, так как трещина, возникающая в компенсаторе, всегда выходит на отверстие облегчения. Кроме, того получение отверстий с одновременным гнутьем по R_ф и отбортовкой чрезвычайно затруднительно с технологической точки зрения. Вместе с тем просечка отверстия при гнутье полотна стенки по Rф вызывает неравномерное растяжение материала в верхней (к ободу) и нижней (внутренней) частях стенки;

в) радиус при вершине вырезов под стрингеры желательно делать не меньше 8 мм (рис. 10). Малые радиусы всегда являются потенциальными источниками образования трещин;

г) заклепки должны устанавливаться на расстоянии 0,5t от оси выреза (см. рис. 10). Это предохраняет от направленного распространения трещин;

д) излишняя высота компенсатора требует дополнительных мер обеспечения его жесткости, приводит к нерациональному использованию материала, поэтому целесообразно ограничиваться h_к (0,3…0,4) h_ст. Вполне вероятно предположить, что большая высота компенсатора снижает устойчивость стенки;

Рис. 10. Оформление вырезов в шпангоутах

е) если необходимо уменьшить массу шпангоута, изменить его жесткость, то это следует проводить на ободах; естественно, если и компенсатор выполнен из профиля, то после всесторонней оценки результата с учетом шага стрингеров, типа панелей и других факторов можно также дорабатывать и компенсатор.

Шпангоуты можно также усилить при помощи подкладочных лент (рис. 11). Их применяют, если необходимо увеличить прочность пояса шпангоута (без компенсатора) или пояса компенсатора, повысить их значение как опор стрингеров, увеличить жесткость торцов панелей, ограничить или воспрепятствовать образованию трещин в обшивке, которые в дальнейшем могут развиваться внутрь по элементам.

Ленты-подкладки устанавливают под обшивку (часто на клею), соблюдая при этом определенные соотношения параметров. Если лента, обшивка и шпангоут изготавливаются из одного материала, т.е. Е_обш = Е_л = Е_шп, то толщина ленты _лобш и при этом b_л/b_п 4…5.

Стрингеры в этом случае подсекаются или фрезеруются. При _л1 мм эту операцию выполнять не обязательно. Если Е_л Е_шп, то _{л обш} (в 2..3 раза) и b_л/b_п = 3…4. В некоторых случаях ленту делают фигурной, с фестонами, выступы которых приходятся против заклепок, что значительно уменьшает концентрацию напряжений.

Рис. 11. Усиливающие подкладки

Интересно отметить, что установка лент-прокладок позволяет существенно снизить местный уровень напряжений, например, с 80…90 МПа в середине пролета между шпангоутами до 40…45 МПа непосредственно у ленты и до 30 МПа на самом шпангоуте. Зная такое распределение напряжений, можно упростить подход к обнаружению слабых мест и повысить прочность конструкции.

Ключевые слова и выражения

Шпангоут, типовой шпангоут, усиленный шпангоут, силовой шпангоут, герметизация, сосредоточенные нагрузки, сборные конструкции, просечки.

Контрольные вопросы

1. Для чего служат типовые шпангоуты?

2. Для чего служат силовые шпангоуты?

3. Для чего служат гермо-шпангоуты?

4. Какие бывают формы шпангоутов?

5. Для чего служат просечки в шпангоутах?

Литература

1. Войт Е.С., Ендогур А.И., Мелик-Саркисян З.А., Алявдин И.М. Проектирование конструкций самолетов. М.: Машиностроение, 1987. Стр. 161-165.

Размещено на Allbest.ru