Нагрузки, действующие на фюзеляж

В полете на фюзеляж действуют нагрузки от поверхностных и массовых сил. К поверхностным силам относятся силы, передаваемые фюзеляжу прикрепленными к нему другими частями самолета (крылом, оперением, шасси, силовой установкой), а также аэродинамические силы, действующие на внешнюю поверхность фюзеляжа. Массовыми силами фюзеляж нагружается от грузов и агрегатов, расположенных внутри него, и собственной массой конструкции.

Нагрузки на фюзеляж от массовых сил и силы тяги двигателя в полете сравнительно невелики и не являются определяющими для общей прочности фюзеляжа. Основными нагрузками являются нагрузки от аэродинамических сил, действующих на крыло и хвостовое оперение. Аэродинамические силы, действующие на крыло, нагружают передний и задний лонжероны центроплана и через узлы стыковки с фюзеляжем - шпангоуты № 4 и 7, которые передают нагрузку на обшивку фюзеляжа.

Большие нагрузки приходят от аэродинамических сил, действующих на хвостовое оперение.

На горизонтальном оперении в полете возникает аэродинамическая сила Y_г.о. (рис. 7, а), направленная вверх или вниз. Эта сила во всех сечениях хвостовой части фюзеляжа вызывает изгибающий момент М_{изг.г.о.}=Y_г.о.L_г.о. и поперечную силу Q_{Y г.о.}, действующие в вертикальной плоскости.

Рис. 7. Нагрузки, действующие на фюзеляж от хвостового оперения: а) - изгибающие усилия; б) - скручивающие усилия

Рис. 6 Каркас фюзеляжа и центроплана:
1 - фонарь; 2 - форточка; 3 - диафрагма; 4 - окантовка двери, 5 - нижний лонжерон; 6 - рама окна; 7 - кронштейн крепления переднего лонжерона киля; 8 - обшивка; 9 - кронштейны крепления заднего лонжерона киля; 10 - окантовка люка; 11 - кронштейны крепления заднего лонжерона стабилизатора;	12 - кронштейны крепления переднего лонжерона стабилизатора; 13 - окантовка вырезов под антенны; 14 - балка с кронштейном системы управления рулем высоты; 15 - окантовка люка багажного отсека; 16 - кронштейны шпангоута № 7; 17 - задний лонжерон центроплана; 18 - подножка; 19 - посадочный щиток; 20 - задний стыковой узел; 21 - обшивка ниши главной ноги шасси; 22 - кронштейны крепления замка убранного положения шасси; 23 - передний стыковой узел;	24 - передний лонжерон центроплана; 25 - нервюра № 2 центроплана; 26 - обшивка купола шасси; 27 - корневая нервюра; 28 - кронштейн шпангоута № 4; 29 - балка; 30 - передние балки; 31 - окантовка люка; 32 - кронштейны крепления рамы двигателя; 33 - кронштейн крепления передней ноги шасси; 34 - кронштейны крепления капота; 35 - кронштейны крепления маслобака.

На вертикальном оперении при отклонении руля направления возникает аэродинамическая сила Y_в.о., направленная в противоположную сторону отклонения руля. Она также вызывает изгибающий момент

М_{изг.в.о.}=Y_в.о.L_в.о. и поперечную силу Q_Zв.о., действующие в горизонтальной плоскости. Так как аэродинамическая сила вертикального оперения приложена выше оси симметрии фюзеляжа, то, кроме изгибающего момента М_{Yизг.в.о.} и поперечной силы Q_{Z в.о.}, на фюзеляж действует и крутящий момент

M_{кр в.о} = Y_в.о. × h, стремящийся закрутить фюзеляж (рис. 7, б).

Усилия от изгибающих моментов воспринимаются обшивкой и стрингерами, которые при этом работают на растяжение и сжатие. Если изгибающий момент действует снизу вверх, нижняя обшивка и стрингеры подвергаются растяжению, а верхние - сжатию. Усилия от крутящих моментов воспринимаются обшивкой, подкрепленной стрингерами и шпангоутами.

Под действием крутящих моментов и поперечных сил сечения фюзеляжа работают на сдвиг, воспринимаемый обшивкой фюзеляжа.

В обшивке возникают внутренние силы, препятствующие сдвигу, возникают касательные напряжения τ_Q от поперечных сил, касательные напряжения от крутящего момента τ_м .

Эти напряжения в верхней обшивке фюзеляжа суммируются, так как направлены в одну сторону, а в нижней обшивке вычитаются - напряжения здесь направлены в разные стороны. Следовательно, наиболее нагруженной является верхняя обшивка фюзеляжа, поэтому верхняя обшивка фюзеляжа имеет большую толщину, равную 1,0 мм.

При посадке фюзеляж нагружается массовыми силами от собственной массы, массы агрегатов и загрузки. Эти силы вызывают изгибающий момент и поперечную силу в вертикальной плоскости, а при посадке со сносом и в горизонтальной. Наиболее нагруженной при посадке является передняя часть фюзеляжа, так как здесь расположены элементы самолета, имеющие большую массу: двигатель, масляный бак и др.

Изгибающий момент и поперечная сила воспринимаются обшивкой со стрингерами и продольными силовыми балками, проходящими по низу носовой части фюзеляжа. В стрингерно-балочном фюзеляже подкрепленная обшивка воспринимает изгибающий момент, перерезывающую силу, крутящий момент и является основным силовым элементом его конструкции.

Шпангоуты фюзеляжа имеют то же назначение, что и нервюры в крыле. В отличие от нервюр воздушная нагрузка, приходящаяся на контур шпангоута, незначительна, и ее обычно не учитывают, принимаются во внимание лишь силы, действующие от агрегатов или грузов, имеющих узлы крепления на шпангоутах. Кроме того, шпангоуты воспринимают на себя нагрузку, являющуюся следствием изгибной деформации фюзеляжа. Так как тонкая обшивка со стрингерами большой длины плохо работает на сжатие, шпангоуты препятствуют потере ею устойчивости. Шпангоуты и стрингеры разбивают обшивку фюзеляжа на клетки, что дает возможность подкрепленной обшивке воспринимать нормальные и касательные усилия.

Многочисленные вырезы в обшивке фюзеляжа под двери, багажный люк, технологические люки для подхода к агрегатам, под антенны ослабляют обшивку, увеличивают местные напряжения. Для предотвращения потери устойчивости материала в таких местах устанавливается обшивка большей толщины, а вырезы окантовываются профилированными листовыми накладками или прессованными профилями.