Выбор конструктивно-силовой схемы фюзеляжа

Основным требованием к фюзеляжу является выполнение им своего функционального назначения в соответствии с назначением самолета и условием его эксплуатации при наименьшей массе конструкции. Наиболее широкое применение на современных самолетах получили балочно-стрингерный фюзеляж, состоящий из обшивки, стрингеров и шпангоутов. КСС такого фюзеляжа представляет собой работающую обшивку подкрепленную шпангоутами и стрингерами. Обычно шпангоуты служат для обеспечения необходимых форм фюзеляжа, а усиленные шпангоуты для восприятия сосредоточенных нагрузок.

При проектировании конструкции фюзеляжа необходимо учитывать следующие требования и рекомендации:

1) сосредоточенные силы, приложенные к элементам каркаса (лонжеронам, шпангоутам, бимсам, стрингерам), необходимо плавно распределять по обшивке фюзеляжа;

2) большие сосредоточенные силы (от двигателей, оперения, крыла шасси) необходимо передавать на обшивку элементами каркаса, которые направленными параллельно силе. Силы, направленные вдоль фюзеляжа, должны передаваться на обшивку через стрингерную панель, продольные балки (бимсы). Силы, действующие поперек фюзеляжа, необходимо передавать через усиленные шпангоуты;

3) сосредоточенные силы, направленные под острым углом к оси фюзеляжа, следует передавать на обшивку через стойки, усиленные стрингерные панели и шпангоуты;

4) при конструировании герметизированных отсеков фюзеляжа необходимо правильно назначать границу зоны герметизации (с учетом вырезов под шасси, крыло и т.п.). При этом следует избегать применения плоских поверхностей для восприятия избыточного внутреннего давления, применяя, в частности, полусферические шпангоуты.

Напряжения и деформации в конструктивных элементах балочно-стрингерного фюзеляжа зависит от характера действия и способа приложения внешних нагрузок. Обычно изгибающий момент в вертикальной плоскости воспринимается стрингерами и обшивкой, расположенными в верхней и нижней зонах сечения, вызывая в них растяжение и сжатие. В стрингерах и обшивке, расположенных вблизи центральной оси сечения фюзеляжа, напряжения от изгиба малы. Изгибающий момент в горизонтальной плоскости воспринимается стрингерами и обшивкой аналогично. Сдвиг и кручение воспринимается обшивкой, подкрепленной стрингерами и шпангоутами.

Руководствуясь методическим пособием [4], выбираем расстояние между шпангоутами и стрингерами:

Расстояние между шпангоутами зависит от толщины обшивки фюзеляжа, компоновки и массы самолета. На реальных конструкциях шаг шпангоута принимается в таких пределах:

200…300 мм – для легких самолетов;

300…400 мм – для средних самолетов (15< m₀ < 30т);

450…500 мм – для тяжелых самолетов.

Расстояние между стрингерами в фюзеляже выбирают из тех же соображений, что и в крыле. В зависимости от толщины обшивки расстояние между стрингерами принимают.

100…150 мм – для легких самолетов;

150…200 мм – для тяжелых самолетов.

Принимаем для первого варианта:

-расстояние между шпангоутами 450 мм;

-расстояние между стрингерами 170 мм;

Расстояние может изменяться из-за сложности компоновки самолета.

По 2 варианту.

Принимаем шаг шпангоута: В_шп =800 мм. Расстояние между стрингерами в фюзеляже выбирают из тех же соображений, что и в крыле. В зависимости от толщины обшивки расстояние между стрингерами принимают: в_стр=200 мм. В зоне больших вырезов устанавливаются в виде окантовок усиленные продольные силовые элементы.

Фюзеляж выполнен по балочной схеме стрингерно-лонжеронно-обшивочного конструктивно-силового типа, что типично для современных самолетов. Расстояние между шпангоутами выбрано B_шп = 800 мм, что соответствует минимальным данным по статистике. Увеличение шага шпангоутов возможно благодаря обшивке, выполненной из более легкого и прочного алюминиевого сплава, позволяющего уменьшить вес конструкции на 7%.

Основной отсек фюзеляжа длиной 18 м разбит на 24 шпангоут. Герметичная кабина экипажа и пассажиров отделена шпангоутом № 4. Ниша носовой стойки шасси отделяется шпангоутами № 6, 8, задняя стойка шасси отделяется шпангоутами № 17, 19. Пол укрепляется 4 лонжеронами. Конструкция низа шпангоута №16 самолета показана на рис. 2.2. Сам шпангоут имеет цельную конструкцию, то есть низ шпангоута не включает в свою конструкцию обвода. Конструкция узла состоит из балки, которая при помощи книц 6,7 и уголков 8,9 крепится к шпангоуту. Также в конструкцию входят опорные стойки 4 и 5. Верхней частью они крепятся к балке, а нижней к шпангоуту.

Рис. 2.2. Конструкция низа шпангоута №16 самолета

Балка состоит из нижнего 2 и верхнего 1 поясов, стенки 3 и подкрепляющих стоек 10. Также имеется специальные стойки 11, с помощью которых рельс для установки сидений крепится к балке. Эти же стойки крепятся в местах соединения стенки, так как она состоит из нескольких частей.

Верхний и нижний пояса изготовлены из стандартных профилей путем фрезерования в отдельных местах. В стенке сделаны отверстия для уменьшения массы узла в целом. Продольный силовой набор состоит из 14 стрингеров, установленных с шагом 200 и 250 мм, а также четырех лонжеронов на которых крепится пол пассажирской кабины в корневой части и двух лонжеронов в концевой части. Вырезы под пассажирские двери в герметичный отсек усилены шпангоутами № 8, 10, 14,15.

Центроплан крыла крепится к шпангоутам № 16,17,18,19,20,21 при помощи 6-ти болтов. Вертикальное оперение крепится к шпангоутам № рис. 2.3.