Файл: Райков Л.Г. Нагрев летательных аппаратов в полете.pdf

струкции под нагрузкой может привести к возникновению ползучести.

При расчетах конструкций сверхзвуковых летательных аппаратов на прочность обычно рассматривают следующие два случая:

—нагрузка прилагается в условиях высоких темпера­ тур, но кратковременно, так что ползучесть не прояв­ ляется;

—нагрузка прилагается в условиях ползучести.

расчета кратковременно допускаемых напряжений при по­ вышенных температурах применяют те же методы, что и при комнатной температуре.

В условиях высоких температур, когда нагрузка дейст­ вует длительно, элементы конструкции могут получить большие деформации. Чтобы эти деформации не превосхо­ дили в эксплуатации допускаемых величин, уменьшают на­ пряжения от внешней нагрузки, т. е. заранее при констру­ ировании задают такие напряжения, которые за опреде­ ленный промежуток времени вызовут только определен­ ную, наперед заданную деформацию.

Вопрос определения предельных деформаций конструк­ ций в условиях'проявления ползучести составляет другую особенность обеспечения прочности конструкций сверхзву­ ковых летательных аппаратов.

Температурные напряжения

Как уже указывалось, появление температурных напря­ жений в конструкции объясняется действием градиента температуры и наличием в соединении элементов конструк­ ции, выполненных из материалов с различными коэффици­ ентами линейного расширения.

Коэффициент линейного расширения а равен изменению единицы длины стержня при изменении температуры на 1°С. При увеличении температуры! на АТ приращение длины стержня

Д/ = а/Д7\

Изменение длины-стержня I вызывает в различных се­ чениях стержня нормальные напряжения о, равные

50

м

Отношение ~j~ называют относительным удлинением.

Если относительное удлинение, вызванное изменением тем­ пературы! АТ, устраняется действием напряжений, то по­ следние могут быть определены! из равенства

Откуда температурное напряжение

Учитывая, что при повышении температуры возникают сжимающие напряжения и что АТ — Тэ— ТШЧг получим

от= — а.Е{Та — Тпа,ч).

Величина коэффициента а, как указывалось, зависит от температуры и с увеличением температуры медленно растет.

В общем случае найти распределение температурный: напряжений в конструкции трудно. Особенно сложен рас­

мени для этого случая показано на рис. 12. Наибольшие сжимающие температурные напряжения возникают у пе­ редней и задней кромок, поскольку они наиболее сильно нагреваются.

Максимальные напряжения в носке и хвостике крыла возникают в тот момент, когда общие средние температур­ ные напряжения в сечении крыла сравнительномалы. И, наоборот, когда средние температурные напряжения станут значительными, максимальные температурные напряжения уменьшатся.

Ввиду тогочто температурные напряжения являются сам-оуравновешенными, равнодействующая их для недеформированной конструкции равна нулю. .

В условиях действия эксплуатационных нагрузок всегда необходимо проверять, чтобьи сумма напряжений от внеш­ них сил и от температуры не превосходила предела про­ порциональности, а деформации -при этом не превышали допустимых величин. Последнее обусловлено тем, что в случае, когда крыло деформируется внешней нагрузкой, появившиеся температурные напряжения могут вызвать дополнительные изгибные или крутильные деформации.

Напряжения от внешней нагрузки и температурные на­ пряжения можно просто алгебраически складывать, если каждое из них в отдельности, а также их сумма находятся в упругой области. В этом случае (наиболее характерном для конструкции летательного аппарата) вначале рассчи­ тывают напряжение от внешней нагрузки, а затем находят напряжения от температуры. Если какое-либо из назван­ ных напряжений или их сумма попадают в область пла­ стической деформации, то сложение напряжений произво­ дят исходя из кривой деформации. В этих случаях важны, не напряжения, а суммарные деформации.

С появлением текучести материала распределение внешней нагрузки между элементами конструкции стано­ вится иным, происходит перераспределение нагрузки. Для оценки дальнейшей работоспособности конструкции опре­ деляют это перераспределение. Например, при появлении текучести в элементах конструкции напряжения от внеш­ ней нагрузки в тех элементах, которые соединены вместе (обшивка и стрингер), будут выравниваться. Здесь более нагруженные элементы конструкции будут разгружаться, а менее нагруженные — догружаться.

При конструировании обычно стремятся к тому, чтобы суммарные напряжения от внешней нагрузки и темпера­ туры не превышали предела текучести. В этих условиях температурные напряжения оказывают непосредственное влияние на время достижения предела текучести. Учитьивая, что разрушение конструкции наступает при деформа­

52

циях, гораздо больших, чем деформации, отмечаемые до г.редела текучести, можно ожидать, что за пределами теку­ чести температурные эффекты! будут исчезать. Последнее означает, что при расчете конструкции на разрушающую нагрузку температурные напряжения не оказывают влия­ ния на разрушение конструкции. В то же время длитель­ ное выдерживание конструкции под нагрузкой в условиях высоких температур при напряжениях, меньших разруша­ ющих, приводит к значительной деформации от ползучести. Чрезмерные деформации выводят конструкцию из строя.

Таким образом, при оценке прочности конструкции в условиях нагрева считают, что при кратковременном на­ гружении разрушение определяется лишь максимальной внешней нагрузкой. Время появления текучести определя­ ется суммарной нагрузкой, состоящей из внешней предель­ ной (по деформации) и температурной. В большинстве слу­ чаев температурные напряжения будут незначительными.

Влияние температурных напряжений на жесткость конструкции

Влияние температурных напряжений на жесткость кон­ струкции приобретает особое значение при наличии дефор­ мации от внешней нагрузки. Податливость конструкции нагрузкам тесно связана с ее жесткостью. Поскольку при постоянной внешней нагрузке температурные напряжения создают дополнительные изгибные или крутильные дефор­ мации, то в этом случае жесткость конструкции изме­ няется.

При повышенных температурах определяют эквивалент­ ную жесткость или жесткость конструкции с учетом темпе­ ратурных напряжений. Под эквивалентной жесткостью конструкции понимают отношение момента (изгибающего или крутящего) от внешней (а!эродинамической и инерци­ онной) нагрузки к величине деформации изгиба (кручения).

В результате аэродинамического нагрева крутильная жесткость конструкции уменьшается. При резком умень­ шении крутильной жесткости крыла на скоростях, мень­ ших критических, могут возникнуть его самоколебания (флаттер).

Уменьшение крутильной жесткости несущих поверхно­ стей от аэродинамического нагрева происходит по двум причинам. Во-первых, с ростом температуры уменьшается модуль упругости материала конструкции. Во-вторых, под влиянием возникающих температурных напряжений в про­

цессе неустановившегося нагревания появляются дополни­ тельные угловые деформации, действие которых эквива­ лентно дополнительному уменьшению крутильной жест­ кости.

Последнее объясняется тем, что в процессе разогрева конструкции некоторые элементы ее, например наружная обшивка, нагреваются сильнее других. Так, для крыла наи­

трубу. Вследствие этого в стержнях образуются сжимаю­

го положения, а компоненты сжимающих сил, действую­ щих в этих стержнях, создадут на трубе пару сил, так что на трубу будут действовать внешний крутящий момент и дополнительный момент, вызванный составляющими сжи­ мающих усилий в стержнях. Под действием этих моментов, система закрутится на угол, больший, чем в случае отсут­ ствия температурных напряжений. Такое явление эквива­ лентно уменьшению крутильной жесткости.

54