Конструкция силовых элементов крыла

Как уже отмечалось, состав конструктивно-силовых элементов, обеспечивающих требуемую прочность и жесткость конструкции, схему их расположения и взаимосвязи, принято называть конструктивно-силовой схемой (КСС) агрегата.

Основные силовые элементы конструкции (обшивка, стрингеры, лонжероны, стенки, нервюры, шпангоуты) обеспечивают прочность и жесткость конструкции агрегатов планера самолета при действии силовых факторов - изгиба, сдвига, кручения.

Рис. 11.9. Классификация КСС агрегатов планера

Вспомогательные (неосновные) силовые элементы служат для соединения, стыковки и местного усиления основных элементов и передачи на них местных нагрузок. К ним относятся узлы стыка, кронштейны навески рулевых поверхностей, приборные рамы, соединительные детали установки оборудования и грузов - фитинги (англ. fitting от fit - прилаживать, монтировать, собирать) и т. д.

КСС агрегатов планера принято классифицировать (рис. 11.9) по типу силовых элементов, воспринимающих изгибающий момент, который является определяющим среди силовых факторов. Масса конструктивных элементов, участвующих в работе на изгиб, составляет основную часть массы силовой конструкции.

В ферменных КСС продольные и поперечные силовые элементы (плоские фермы) в соединении образуют пространственную ферму, воспринимающую все силовые факторы, в том числе и изгибающий и крутящий моменты. Элементы фермы работают на растяжение-сжатие. Обшивка в конструкциях с ферменной КСС чаще всего несиловая, т. е. не участвует в работе на изгиб и кручение, а служит только для формирования обводов агрегата и передачи на ферму распределенной аэродинамической нагрузки.

В балочных КСС конструктивным элементом, воспринимающим изгиб, является плоская (лонжерон) или пространственная пустотелая (кессон) балка.

В моноблочном крыле (оперении) мощная силовая обшивка является основным силовым элементом, воспринимающим все виды нагрузок. Работая на растяжение-сжатие, обшивка воспринимает весь изгибающий момент. Конструктивно обшивка несущих поверхностей выполняется однослойной - в виде гладкого (не подкрепленного стрингерами) листа или с достаточно частым продольным подкреплением. Она может быть и многослойной.

Конструкция фюзеляжа типа монокок (франц. monocoque - от греч. monos - один, единый и франц. coque - скорлупа), или балочно-обшивочная (скорлупно-балочная), в силовом отношении аналогична моноблочному крылу. Обшивка обычно гладкая, и стрингеры устанавливаются только для соединения отдельных листов обшивки фюзеляжа.

Имея достаточно большую собственную жесткость, обшивки в моноблочном крыле и фюзеляже типа монокок практически не требуют поперечного подкрепления, поэтому в таких конструкциях нервюры и шпангоуты устанавливаются только в местах приложения сосредоточенных нагрузок.

В фюзеляжах типа полумонокок восприятие внешних силовых факторов обеспечивается совместной работой продольных элементов и обшивки.

В стрингерно-балочном фюзеляже (стрингерный полумонокок) изгибающий момент воспринимается растяжением-сжатием сводов несущей обшивки, подкрепленной стрингерами.

В лонжеронно-балочном фюзеляже (лонжеронный полумонокок) обшивка, подкрепленная стрингерами, работает только на сдвиг, воспринимая крутящий момент и перерезывающую силу. Изгибающий момент воспринимают продольные балки. Работу такой конструкции под нагрузкой мы рассмотрели ранее (см. раздел 11.1, рис. 11.5).

Работа под нагрузкой кессонного крыла аналогична работе стрингерно-балочного фюзеляжа и моноблочного крыла. От моноблочного кессонное крыло отличается наличием лонжеронов, на которые опираются своды подкрепленной стрингерами несущей обшивки, играющей основную роль в восприятии изгибающего момента. В несущих поверхностях кессонного типа лонжероны, работая на изгиб, воспринимают 20-40% действующего изгибающего момента, остальное воспринимает обшивка.

В несущих поверхностях лонжеронной (лонжеронно-балочной) конструктивно-силовой схемы весь действующий на конструкцию изгибающий момент воспринимается лонжеронами. Подкрепленная стрингерами обшивка вместе со стенками лонжеронов образует замкнутый контур, работающий на сдвиг и кручение.

В зависимости от количества и расположения продольных элементов в конструкции несущих поверхностей приняты определения КСС: однолонжеронное крыло с задней стенкой (работу такой конструкции мы рассмотрели в разделе 11.1, рис. 11.1, 11.2); двухлонжеронное крыло с передней стенкой; трехлонжеронный кессон; многостеночное моноблочное крыло и т. д.

Здесь еще раз отметим, что, как и всякая классификация, классификация КСС является весьма условной. Так, моноблочное и кессонное крыло достаточно близки по схеме восприятия и передачи нагрузок, здесь все зависит от распределения материала между обшивкой и продольными элементами, их конструктивного оформления и условий закрепления на опоре (фюзеляже).

Условия стыковки крыла с фюзеляжем, собственно, и определяют КСС крыла. Жесткая обшивка и подкрепляющие ее стрингеры способны воспринимать сжимающие и растягивающие нагрузки и в любой конструкции крыла вдали от заделки участвуют (в меру своей несущей способности) в работе крыла на изгиб.

Рис. 11.10. Стыковка лонжеронного крыла с фюзеляжем

При креплении крыла только по лонжеронам (моментными узлами) и стенкам (шарнирными узлами) на силовые шпангоуты 1 фюзеляжа (рис. 11.10) обшивка и стрингеры прерываются у борта фюзеляжа на усиленной бортовой нервюре 2 и, не имея опоры в межлонжеронном пространстве, практически "выключаются" из работы крыла на изгиб в зоне А, т. е. потоки усилий с обшивки и стрингеров перераспределяются на пояса лонжеронов 3 на расстоянии по размаху, примерно равном межлонжеронному расстоянию.

Кессонные и моноблочные крылья обязательно имеют центроплан 1 (рис. 11.11) - расположенную внутри фюзеляжа пустотелую балку (кессон), соединяющую в единую конструкцию левую 2 и правую 3 консоли крыла. На центроплане, силовой набор которого аналогичен силовому набору консолей, силами N, сжимающими верхнюю и растягивающими нижнюю панель центроплана, взаимно уравновешиваются изгибающие моменты, действующие на консоли крыла: М _изг = NH. На силовые шпангоуты фюзеляжа с крыла через шарнирные узлы крепления передаются только перерезывающая сила Q в виде сил Р ₁ и Р ₂ и крутящий момент М _кр в виде пары сил Р ₃:

Q = Р ₁ + Р ₂; М _кр = Р ₃ В.

Возможны различные конструктивно-технологические решения взаимной увязки (соединения) таких крыльев с фюзеляжем, например:

Рис. 11.11. Центроплан в конструкции кессонных и моноблочных крыльев и схема передачи сил и моментов с крыла на фюзеляж

- центроплан и консоли выполняются как единое целое и вставляются в нишу (проем, вырез) фюзеляжа для стыковки с силовыми шпангоутами;

- центроплан "врезан" в конструкцию фюзеляжа, а консоли стыкуются с центропланом в зоне бортовой нервюры разъемным или неразъемным контурным стыком, связывающим по контуру нервюры все силовые элементы консоли (обшивку, стрингер, пояса и стенки лонжеронов) с аналогичными силовыми элементами центроплана.

В любом случае центроплан "перерезает" основные силовые элементы фюзеляжа, нарушая регулярность его конструктивно-силовой схемы, что требует введения в нее дополнительных силовых элементов - продольных и поперечных бимсов (англ. beams - множ. число от beam - балка, перекладина), силовых рам и шпангоутов, окантовывающих вырез в продольном и поперечном направлениях и увязанных с основной (регулярной) КСС фюзеляжа.

Ниши для уборки шасси, грузовые люки, иллюминаторы, люки для монтажа и обслуживания оборудования оказывают существенное, а в некоторых случаях определяющее влияние на КСС несущих и ненесущих частей самолета.

Форма в плане несущих поверхностей также во многом определяет их КСС.

На рис. 11.12 в качестве примера представлены некоторые КСС лонжеронных стреловидных и треугольных крыльев.

Рис. 11.12. КСС стреловидных и треугольных крыльев

Здесь:

а) стреловидное крыло двухлонжеронной схемы, лонжероны расположены по образующим (вдоль размаха) крыла на равных процентах хорд (например, передний - на 20%, задний - на 65%) и крепятся к силовым шпангоутам фюзеляжа моментными узлами. В корневой части такого крыла требуется установка мощных силовых бортовой 1 и корневой 2 нервюр, поскольку плоскости стенок лонжеронов не лежат в плоскостях стенок силовых шпангоутов фюзеляжа и это затрудняет передачу на борт фюзеляжа изгибающего момента с крыла;

б) однолонжеронное стреловидное крыло с подкосной балкой (внутренним подкосом) и задней стенкой 3. Лонжерон 1 крепится к силовому шпангоуту фюзеляжа шарнирным узлом и не передает на фюзеляж изгибающий момент. Внутренний подкос 2 - это фактически лонжерон, установленный в плоскости силового шпангоута, к которому он крепится моментным узлом, передавая изгибающий момент кратчайшим путем. В такой КСС можно обойтись без установки силовых нервюр в корневой части крыла, что позволяет организовать между лонжероном и подкосом большой вырез (нишу), например на нижней поверхности крыла, для уборки основной стойки шасси.

в) многолонжеронное треугольное крыло с лонжеронами, идущими по равным процентам хорд (сходящимися к концу крыла);

г) многолонжеронное крыло с переломом осей лонжеронов на силовой нервюре 1, что позволяет передать на борт фюзеляжа изгибающий момент кратчайшим путем.

Необходимость поворота несущих поверхностей (крыло изменяемой стреловидности, цельноповоротное оперение) привела к разработке разнообразных специфических КСС этих агрегатов.

Из всего многообразия возможных КСС и конструктивно-технологических решений в процессе проектирования должны быть выбраны те, которые наилучшим образом удовлетворяют всему комплексу требований, предъявляемых к конструкции ЛА.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: