Файл: Конструкция летательных аппаратов учебник..pdf

г д е

—наибольшая сплющивающая шпангоут погонная сила в точке C(y=R);

а— расстояние между нормальными шпангоутами;

b

— приведенная толщина обшивки совместно со стрингерами (b — расстояние между стрингерами; <р — редукционный коэффициент обшивки по отношению к стрингеру).

(

2

Фиг. 6.17

На небольших самолетах нормальные шпангоуты, как прави­ ло, не рассчитываются, а выбираются из конструктивных сообра­ жений. На крупных летательных аппаратах, с экономным в ве­ совом отношении каркасом, нормальные шпангоуты необходимо рассчитывать.

153. Общая устойчивость фюзеляжа (корпуса ракеты). Фю­ зеляжи летательных аппаратов могут разрушаться в результате общей потери устойчивости, которая характеризуется выпучива­ нием всей системы обшивки совместно с подкрепляющим ее кар­ касом (шпангоуты и стрингеры). От действия изгибающего мо-

148

мента возможны два случая общей потери устойчивости стрин­ герного фюзеляжа.

Первая изгибная форма потери устойчивости заключается в

сту оиз, а следовательно, к увеличению искривления оси. Это всвою очередь приводит к увеличению сплющивания поперечных сече­ ний. Существует критическое значение изгибающего момента, при котором, по существу, происходит общая потеря устойчиво­ сти круговой формы поперечных сечений фюзеляжа и полное сплющивание их.

Однако наличие усиленных жестких шпангоутов препятству­ ет сплющиванию поперечных сечений.

154. Для обычных фюзеляжей, содержащих усиленные шпан­ гоуты, наиболее вероятной и опасной является вторая изгибная форма общей потери устойчивости.

При второй форме происходит выпучивание по продольным полуволнам длиной порядка 1,5 диаметра фюзеляжа (на участке между силовыми шпангоутами) с образованием в поперечных се­ чениях фюзеляжа трех полуволн, распространяющихся только на сжатую зону фюзеляжа до нейтральной оси (фиг. 6.18). Ука­ занная форма выпучивания в сжатой зоне практически не изме­ няется в случае наличия в растянутой зоне выреза, усиленного бимсами.

149

Опасными по второй форме общей потери устойчивости мо­ гут являться нагруженные изгибной нагрузкой участки фюзеля­ жа, на которых расстояния между силовыми шпангоутами /с. шп равны или больше приблизительно 1,5 диаметров фюзеляжа. На рассчитываемом опасном участке фюзеляжа эпюру изгибающих моментов можно приближенно представить как линейную (фиг. 6.19).

Тогда в сечении с Л4тах для кругового цилиндрического фю­ зеляжа величина критического нормального напряжения вдоль

у/

л шп

Ann — момент инерции сечения шпангоута с учетом примыкающей полоски обшивки;

/шп — расстояние между нормальными шпанго­ утами;

tv]

р = —5-2- — отношение величин наименьшего изгибаю- ■Мтах щего момента 7140 к максимальному Mmax, действующих в сечениях установки си­

ловых шпангоутов (см. фиг. 6.19). Наименьшая величина окр получается при расстоянии между

силовыми шпангоутами, равном /Сшп=^\где /=1, 2, 3 ,... , — це-

150

^шп луволны с образованием в поперечных сечениях трех полуволн

(см. фиг. 6.18), при которой величина акр.пз оказывается наи­ меньшей.

Формула (6.4) справедлива в пределах упругих деформаций. За пределом упругости надо пользоваться следующей формулой:

где

Зкр из

155.От действия крутящего момента также возможна об­ щая потеря устойчивости фюзеляжа.

Критические касательные напряжения общей потери устой­

чивости ткр j уменьшаются при уменьшении изгибной жесткости шпангоутов и увеличении радиуса и толщины обшивки §о6.

С точки зрения экономии веса изгибные жесткости нормаль­ ных шпангоутов должны быть подобраны так, чтобы выполни­

156. Усиленные шпангоуты так же, как и усиленные нервю­ ры, предназначены для передачи сосредоточенных сил и момен­ тов в их плоскости на обшивку в виде потоков касательных уси­ лий.

На фиг. 6.20,а представлен «глухой» (т. е. в виде сплошного листа) шпангоут, нагруженный вертикальной силой Р.

Эта сила передается на стойку, а с нее — на лист шпангоута, нагружая его потоками дст. Под действием указанной силы

151

шпангоут стремится переместиться вниз, но уравновешивается реакциями со стороны обшивки в виде потоков касательных уси­ лий qo6 (фиг. 6.20,б). Принимается, что усилия в заклепочном шве обшивки распределены так же, как и касательные усилия в сечении фюзеляжа от нагрузки, равной равнодействующей на­ грузки на шпангоут. В рассматриваемом случае кругового сече­ ния в точке, определяемой углом а, эти касательные усилия бу­ дут

PS

<7об = — = до s m а,

где

Р

S = /?2 8 sin а; / = тг/?3 8; -г -

кР

Стойка будет работать на сжатие по схеме, представленной на фиг. 6.20,в, и может разрушиться как от местной, так и от общей потери устойчивости. Ось стойки может изогнуться в на­ правлении по нормали к плоскости шпангоута, при этом крити­ ческая сила общей потери устойчивости будет

Ркр - 2*2 Е /„

где /ст — момент инерции сечения стойки с учетом примыка­ ющей полосы стенки шпангоута.

Прочность листа стенки проверяется на сдвиг от напряже­ ний

т — ^ст = ^

о2/о

Изгиб шпангоута в своей плоскости практически отсутству­

ет.

Рассмотренный «глухой» шпангоут является наиболее про­ стым по конструкции и выгоден в весовом отношении. Однако для получения внутри фюзеляжа объемов, не занятых конструк­ цией, приходится чаще всего усиленные шпангоуты делать в виде колец.

157. Кольцевой шпангоут с точки зрения строительной меха ники является трижды статически неопределимой рамой и рас­ считывается при помощи канонических уравнений метода сил. Обычно, учитывая условия симметрии системы и симметрии или обратной симметрии нагружения, задачу сводят к однажды или дважды статически неопределимой. Считая эти методы известны­ ми, мы сделаем несколько замечаний конструктивного порядка.

На фиг. 6.21,а представлен кольцевой шпангоут, нагружен­ ный вертикальной сосредоточенной силой Р.

Схема уравновешивания шпангоута и предполагаемый харак­ тер его деформации показаны на фиг. 6.21,6. Можно ожидать

152

(в действительности так и получается), что в точке С изгибаю­ щий момент имеет наибольшую величину, а в точке D он весьма мал. Это обстоятельство дает возможность упростить расчетную схему, предположив в точке D шарнир. Кроме того, распреде­ ленные потоки до6 можно приближенно заменить действием двух сосредоточенных реакций Р/2 в точках Л и В (фиг. 6.21,в). В этих предположениях система становится однажды статически неопределимой, а неизвестная осевая сила X определяется из кононического уравнения

Эпюра изгибающих моментов представлена на фиг. 6.21,г. Наи­ большая величина изгибающего момента в точке С отличается от точного решения приблизительно на 15% в сторону запаса прочности.

Прочность кольцевых (рамных) шпангоутов зависит в ос­ новном от их изгиба. Отметим, что за счет изгиба кривого бруса возникают радиальные усилия qR по схеме, представленной на фиг. 6.22. Для воспринятая этих радиальных усилий, особенно больших в местах сильного изгиба, между поясами шпангоута ус­ танавливаются стойки, препятствующие сближению поясов. Стой­ ка в точке С (фиг. 6.21) обеспечивает также передачу сосредото­ ченной силы Р на стенку шпангоута.

В весовом отношении выгодно применять кольцевые шпанго­ уты с переменной строительной высотой, которая должна быть наибольшей в местах приложения сосредоточенной нагрузки, где величина изгибающего момента наибольшая.

158. На фиг. 6.23 показана картина нагружения и уравнове­ шивания шпангоута крепления крыла, который заменяет собой фюзеляжную часть лонжерона крыла и выгоден с точки зрения компоновки фюзеляжа.

Определяющими прочность шпангоута являются большие сосредоточенные самоуравновешенные силы N, возникающие от изгиба крыла. В приближенных расчетах остальными нагрузка­ ми можно пренебречь. Предполагаемый характер деформации шпангоута показан на фиг. 6.24. Ясно, что в точках А и В изги­ бающие моменты будут малы. Поэтому шпангоут можно считать состоящим из двух половин, шарнирно соединенных между со­ бой в этих точках. Достаточно рассмотреть одну половину (фиг. 6.25). Наибольшая величина изгибающего момента равна:

или

154