Общие принципы авиационного конструирования

Одним из основных принципов конструирования ЛА является обеспечение минимальной массы элементов конструкции при необходимых прочности и жесткости. От массы конструкции зависят стоимость самого ЛА и стоимость его эксплуатации. Масса конструкции влияет и на летно-тактические характеристики ЛА. Перетяжеление конструкции при заданной стартовой массе ЛА вызывает уменьшение полезной нагрузки и, следовательно, снижение его эффективности или возрастание стартовой массы и, как следствие, стоимости при неизменной полезной нагрузке. Наоборот, снижение массы конструкции позволяет уменьшить стоимость аппарата и улучшить его летно-тактические данные.

Рассмотрим некоторые принципы и положения конструи­рования, позволяющие обеспечить минимум массы проектируемых изделий.

Принцип прямоточности. В его основе заложена правильная организация силового потока в конструкции. Нарушение этого принципа сопровождается нежелательными деформациями изгиба, сдвига и кручения. Приведем несколько примеров реализации этого принципа.

1. Передача сил по кратчайшему пути. Например, при конструировании узлов крепления крыла к корпусу (рис.1) надо стремиться располагать моментный (главный) узел 2 ближе к центру давления 3 ()

Это обеспечивает наименьший изгибающий момент М и минимум массы силовых элементов, в том числе шпангоута 1 корпуса, к которому крепится крыло.

Рис.1 Рис.2

2. Исключение изгиба, сопровождающего растяжение (сжатие). При передаче силы Р (рис.2а) вдоль стержня АВ последний будет иметь минимальную массу, так как нормальные напряжения s по сечению распределены равномерно и его материал работает полностью. Конструкция, показанная на рис.2б, в этой же задаче имеет элемент СD, работающий на изгиб, в котором с полной отдачей работают только наиболее удаленные от оси стержня волокна, а остальные недогружены. Стержень будет перетяжелен. Аналогичная картина имеет место и в случае соединения двух элементов встык и внахлестку (рис.2в и 2г).

Из принципа прямоточности следует, что материал детали, находящий­ся вне основного силового потока, может быть удален как неработающий. Из рисунка 3 видно, что стрингер не сразу, а постепенно, через срез заклепок собирает с обшивки силу . Зачернённый участок стрингера не работает, и его следует удалить.

а – неработающий материал стрингера;

б – эпюра осевых нагрузок стрингера.

Рис.3 Рис.4

3. Замыкание силового контура, когда в конструкцию вводятся спе­циальные элементы, направляющие силы по кратчайшему пути. На примере подкосной балки 1 (рис.4), установленной в крыльевом отсеке корпу­са, показано, что от действия изгибающего момента бортовая нервю­ра и лонжерон нагружаются меньшими усилиями. Изгибающий момент лонже­рона 2 нарастает лишь на участке до подкосной балки 1,

а дальше он падает, обращаясь в нуль в шарнирном узле 3 (при отсутствии подкоса в узле 3 будет максимальным). Подкосная балка нагружена сосредото­ченной силой в узле 4. Благодаря меньшей длине балки ее из­гибающий момент будет меньше, чем у лонжерона, т.е. .

5. Принцип компактности, т.е. экономии поверхностей, обьёмов, длин, числа конструктивных элементов. Он во многом определяется опытом и эрудицией конструктора.

Принцип пропорциональности предусматривает равномерное распреде­ление силовых потоков и напряжений в конструкциях, что достигается симметрией, плавными формами, отсутствием местных концентраторов напряжений. Рассмотрим случаи применения этого принципа на часто встречающихся в практике конструирования ЛА примерах.

1. Передача сосредоточенной силы в виде распределенной нагрузки. Основная особенность тонкостенной неподкрепленной конструкции - низкие местная изгибная жесткость и прочность.

а б

Рис.5 Рис.6

На рисунке 5 показано действие на оболочку внешней силы Р, нормальной к поверхности оболоч­ки, и силы Р', лежащей в срединной поверхности оболочки. Под действи­ем этих сил может произойти прогиб или разрыв (смятие) (рис.5а) соответственно. Предотвратить разрушение можно путем включе­ния в работу всего сечения оболочки. В случае действия нормальной си­лы Р следует поставить диафрагму со стойкой или шпангоут, которые по отношению к Р обладают большой жесткостью и передают на контур оболочки силу Р в виде погонной нагрузки (рис.5б). Тангенциальную сосредоточенную силу Р' можно передать на оболочку

с помощью продольной балки (стрингера, лонжерона), опирающейся своими концами на шпангоуты (см.б), также в виде распределенной силы .

2. Исключение концентраторов напряжений в конструкциях, имеющих перепад жесткостей. Резкий перепад жесткостей является причиной возникновения концентрации напряжений.

На рисунке 6 показана стрингерная оболочка с различными толщинами обшивки. Тонкая обшивка на нормальные напряжения от изгиба практически не работает, и общий изгиб воспринимается в основном стрингерами. По мере увеличения толщины обшивки концентрация напряжений уменьшается. Отношение критических напряжений в обшивке к напряжениям в стрингере повышается.

Для установки блоков оборудования в корпусе ЛА делают большие люки (вырезы). Зону выреза обязательно усиливают.

Рис.7 Рис.8

Например, вдоль люка (рис.7) ставят усиленные стрингеры или лонжероны 1, а по краям - шпангоуты 2. Если лонжерон сразу закончить у края выреза, то из-за резкого перепада жесткостей в зоне С возникнет концентрация напряжений. Во избежание этого лонжерон следует протянуть еще на некоторое расстояние, сводя его на нет (см. пунктирные линии). Величину принимают приближенно равной ширине выреза

.В обечайках "сухих" отсеков корпуса предусматривают люки, смотро­вые окна и т.п. для доступа к аппаратуре во время осмотров, проведения регламентных работ, подготовки ЛА к полету. Они также не должны ослаблять сечение и быть причиной местной концентрации напряжений. С этой целью делают местное усиление – окантовку. На рисунке 8а показана окантовка люка в листовой обшивке, а на рисунке 8б - усиление люка

литого или штампованного отсека. В обоих вариантах люк выполняется герметичным.

3. Распространенной реализацией принципа пропорциональности является равнопрочность. В строгом понимании она может быть реали­зована в конструктивно простых деталях, когда они разрушаются одно­временно по всем сечениям при достижении действующей нагрузкой разрушающей величины или когда рабочие напряжения будут одинаковыми во всех точках детали. В целях равнопрочности площади сечений продольного набора и толщина обшивки ЛА делаются переменными. Однако реальные конструкции не являются равнопрочными в полном смысле. Статические испытания показывают, что разрушение конструкций проис­ходит не повсеместно, а в какой-то одной зоне. Тем не менее в каж­дом конкретном случае, учитывая характеры нагружения и деформации, к равнопрочности конструкции, путь даже с некоторыми отклонениями, надо стремиться всегда.

4. Важным проявлением принципа пропорциональности является требо­ вание равной устойчивости. В этом случае размеры сечения силового элемента выбираются из условия равенства критических напряжений мест­ной и общей потерь устойчивости.
Принцип специали­зации. Для выполнения отдельных функций в конструкции ЛА должны использоваться специ­альные, наиболее целе­сообразные силовые элементы. Реализацию этого принципа можно показать на примере двухпоясной балки (лонжерон корпуса, крыла), работающей на изгиб и воспринимающей поперечную погонную нагрузку (рис9).

в г

Рис.9 Рис.10

а,в – усиление торца металлическим кольцом;

б,в – армировка сечения; г – применение местных вкладышей.

Здесь каждый элемент наиболее полно выполняет свою функцию: пояса / балки воспринимают изгибающий момент, стенка 3 - поперечную нагрузку, стой­ки 2 - сжимающие усилия, увеличивая одновременно критические напряже­ния сдвига стенки.

Разновидностью специализации является принцип местного качества, когда в соответствии с местными условиями работы конструктор предус­матривает ряд мер, улучшающих работоспособность конструкции без увеличения массы и габаритов.

На рисунке 10 показано несколько примеров усиления отсеков корпуса, выполненных из стеклопластиков, в наиболее нагруженных местах: на торце отсека устанавливается металлический шпангоут, через который осуществляется соединение с соседними отсе­ками

Принцип многофункциональности. Его идея противоположна принципу специали­зации, но не отрицает, а дополняет этот принцип. Суть принципа -стремление использовать одни и те же силовые элементы для передачи разных нагрузок и выполнения нескольких разнородных функций. Это поз­воляет уменьшить массу конструкции. Например, несущий топливный бак ЛА, очевидно, является не только емкостью для жидкого компонента, но и частью силовой конструкции корпуса, которая воспринимает все внеш­ние силовые факторы, внутреннее давление и температурные напряжения.

Принцип оптимальности. Он заключается в обеспечении соответствия размеров и форм силовых элементов конструкции величине и характеру действующих на них нагрузок. Так, нормальные напряжения при поперечном изгибе обратно пропорциональны моменту сопротивления изгиба W В этом случае наиболее целесообразным оказывается двутавровое сечение силового элемента. При восприятии крутящего момента наилучшими являются замкнутые полые круглые сечения возможно большего диаметра.

Однако практические задачи авиационного конструирования являются более сложными, когда конструктор должен удовлетворить ряду противоречивых требований при действии широкого спектра нагрузок и с учетом различного типа ограничений. В каждом конкретном случае конструктор вынужден принимать компромиссное решение.

Дата добавления: 2015-08-03