Продольный набор и обшивка

Рассмотрим назначение, конструкцию, работу продольного набора и обшивки — основных элементов, обеспечивающих проч­ность крыла и составляющих основную долю его массы.

Основными материалами для них являются алюминиевые сплавы, легированные стали, титановые сплавы, композитные материалы.

Лонжероны

Лонжерон — продольная балка или ферма, способная само­стоятельно работать на изгиб и сдвиг в своей плоскости.

Число и расположение лонжеронов по хорде крыла зави­сят от размеров самолета и компоновочных особенностей крыла.

Лонжерон называется балочным, если для восприятия попе­речной силы служит стенка, и ферменным, если для этой цели применяется решетка фермы, связывающая, как и стенка, пояса (полки).

В конструкциях современных крыльев обычно применяются балочные лонжероны.

Общий вид балочного лонжерона с двутавровым сечением по­казан на рис. 14.15, а.

Рис 14.15. Балочный лонжерон с двутавровым сечением

а — общий вид; б — схема нагружения элементов; в…к — виды сечений;
1— пояс 2 — стенка 3 — стойка

На рис. 14.15, в...к показаны возможные
се­чения балочного лонжерона.

Двухпоясная схема лонжерона обеспечивает наиболее эффективное использование ма­териала поясов и стенок.

Пояса лонжерона работают на растяжение и сжатие от изгибающего момента, стенка — на сдвиг от поперечной силы (рис. 14.15,б).

Пояса лонжеронов должны отвечать следующим специальным требованиям:

- удобство соединения с обшивкой и стенкой;

- максимальное использование строительной габаритной высоты лонжерона как строительной высоты двухпоясной балки;

- минимальные потери площади сечения на отверстия под за­клепки и болты

Обычно для поясов используются дюралюминий и хромансиль. В новых конструкциях применяются также высокопрочные композит­ные материалы.

Выполнение требований удобства соединения с обшивкой и стенкой и максимального использования высоты наиболее просто обеспечивается применением уголковых и тавровых сечений поясов (см. рис. 14.15, в, г, д).

При необходимости усилить пояс к уголкам приклепывают полосу
(см. рис. 14.15, е). Такая конструкция технологически проста, позволяет фрезеровать полосы, подгоняя форму их поперечного сечения под профиль крыла (см. рис. 14.15, ж), и изменять пло­щадь сечения пояса по длине вплоть до перехода на один уголок в конце лонжерона

Дальнейшее совершенствование конструкции пояса привело к созданию профилированного сечения с лапками для крепления обшивки и стенки (см. рис. 14.15, з). Такой пояс полностью отвечает всем трем специальным требованиям. Выполняется он обычно из дюралюминиевого прессового профиля, который для сохранения ус­ловий равнопрочности пояса по длине лонжерона подвергается механической обработке.

Стенка лонжерона имеет постоянную толщину, так как каса­тельные усилия в сечении стенки по высоте почти постоянны.

При постоянной хорде крыла или центроплана возможно использование цельнокатаных лонжеронов со стенкой, выполненной как единое целое с поясами (рис. 14.15, к).Достоинством таких лонжеронов по сравнению с клепаными лонжеронами являются меньшая масса и большая усталостная долговечность.

Соединяется стенка с поясами сборного лонжерона большей частью заклепками, но иногда и болтами

Стойки изготавливаются из прессованных дюралюминиевых про­филей, (уголков), и крепятся заклепками к стенке и поясам лонжеронов (рис 14.16, а)

Рис. 14.16. Схема передачи на­грузки от нервюры на стенку лон­жерона (а) и схема
нагру­жения стойки (б)

1 - лонжерон, 2- стойка, 3 - центральная часть нервюры, 4 - носовая часть нервюры.

Условия работы балки лонжерона определяют назначение стоек:

- уменьшение свободного участка стенки для повышений ее критического напряжения при сдвиге τ_к;

- противодействие сближению поясов лонжерона при потере
устойчивости стенки от касательных напряжений (действие сил N) и при действии радиальных сил R от изгиба лонжерона;

- крепление нервюр к лонжерону — передача сил ΔQ от нервюр на лонжерон.

Каждый пояс необходимо проверить на прочность при растя­жении и сжатии с максимальными нагрузками, действующими на него в конкретном случае нагружения.

Проверка прочности стенки зависит от толщины стенки и требований, предъявляемых к ней.

Для тонких стенок (δ_ст ≤ 1,5 мм), у которых допускается потеря устойчивости при Р≥ Р^э, условия прочности следующие: при Р^экасательное напряжение τ^э ≤ τ_к; при Р^рτ^р ≤ τ_разр.

Для толстых стенок (δ_ст > 1,5 мм) и стенок баков-отсеков, у которых потеря ус­тойчивости не допустима до Р = Р^р, условие прочности имеет вид
τ^р ≤ τ_к.

Стойка нагружается самоуравновешенными сжимающими силами R(радиальными) и N(если стенка теряет устойчивость от τ).

Если стойка используется для креп­ления нервюры к стенке, она также нагружается вдоль своей оси силами ΔQ, которые передаются через со­единительные элементы от участков нервюр (рис. 14.16,б).

Сжимающая сила для расчета на прочность стойки равна

N_ст= R+ N+ ΔQ, (14.20)

где ΔQ = ΔQ_нос + ΔQ_центр.

Сила N_стопределяется для расчетных слу­чаев нагружения. В этом случае условие прочности имеет вид

σ^р = n^р_ст/F_ст ≤ σ_к.

Шаг стоек t_стопределяется как размещением нервюр, так и условием обеспечения требуемого значения τ_к стенки. Обычно t_ст = 10...20 см

(шаг нервюр 35...100 см). При уменьшении шага стоек повышается τ_к стенки без увеличения ее толщины.

Стрингеры

Схема нагружения стрингеров (и обшивки) силами поперечной воздушной нагрузки и нормальными напряжениями от М_изг по­казана на
рис. 14.17. Если обшивка менее жесткая на изгиб, чем стрингеры, то часть воздушной нагрузки передается с участков Iобшивки на стрингеры и с них на нервюры, а часть с участков II обшивки непосредственно на нервюры.

На рис. 14.17,в показаны также погонные касательные силы, передаваемые на стрингер от обшивки через связывающее их заклепочное или клеевое соединение.

Эти касательные силы Δq_Qобусловлены изменением М_изг по размаху крыла z, характеризуемым Q = dM_uзг/dz

Обшивка

Для обшивки применяется дюралюминий (в основном Д16), а для сильно нагревающихся частей - титановые сплавы (ВТ20 для сверхзвуковых самолетов и участков обшивки в зоне реактивной струи двигателя). С этой целью в настоящее время также все чаще используют композитные материалы.

Для повышения антикоррозийной стойкости применяются ано­дированные листы обшивки из алюминиевых сплавов и лакокра­сочные покрытия.

Участок сравнительно толстой и подкрепленной стрингерами металлической обшивки между двумя соседними нервюрами и лон­жеронами можно рассматривать как достаточно жесткую плиту, в которой напряжения поперечного изгиба от воздушной нагрузки незначительны.

Обшивка современного крыла является частью оболочки, которая воспринимает крутящий момент М_кр. Следовательно, она подвергается од­новременному действию нормальных и касательных напряжений от М_изг и М_кр.

До тех пор пока сжатая обшивка не теряет устойчивости, напряжение от М_изгв ней такое же, как в стрингерах (если Е_общ = Е_стр).

Обычно обшивка теряет устойчивость раньше, чем стрингеры.

После потери устойчивости обшивки напряжение в ней распре­деляется неравномерно: в непосредственной близости от стринге­ров оно равно напряжению стрингера, а в середине пролета — кри­тическому напряжению обшивки σ_{к общ}.

Металлическая обшивка, толщина которой достигает у корня крыла тяжелых самолетов 12...18 мм, выполняется из листов. К концу крыла в целях уменьшения его массы толщина обшивки должна постепенно уменьшаться с сохранением равнопрочности. Достигается это использованием листов различной толщины или механическим и химическим фрезерованием их с оставлением утол­щений в местах крепления.

Раскрой обшивки осуществляется так, чтобы ее продольные стыки проходили по поясам лонжеронов и по стрингерам (рис. 14.19, а... г).

Широкое распространение получили монолитные панели, в ко­торых обшивка и стрингеры составляют единое целое (рис. 14.19, з). Достоинством монолитных панелей по сравнению с клепаными панелями явля­ется уменьшение числа соединяемых деталей. Это ведет к умень­шению массы, повышению качества поверхности, упрощению гермети­зации топливных отсеков в крыле. Вместе с тем для изготовления монолитных панелей необходимо сложное высокоточное оборудование.

Соединение листов металлической обшивки между собой, а также со стрингерами и нервюрами осуществляется заклепками; такое соединение является наиболее надежным. На менее нагру­женных участках крыла используются клеевые или клеесварные соединения обшивки со стрингерами и нервюрами. Клеевые соеди­нения снижают концентрацию напряжений, что увеличивает уста­лостную долговечность конструкций.

Поперечные швы соединения листов нагружены сильнее, чем продольные, поэтому их должно быть как можно меньше и прохо­дить они должны по поясам нервюр или по стыковым лентам.

При малой толщине обшивки допускается соединение внахлестку с под­сечкой (рис. 14.19, д...ж).

Для уменьшения числа поперечных стыков монолитных панелей длина их берется максимально воз­можная по условиям производства.

Несмотря на то, что продольные стыки утяжеляют крыло, они в ряде случаев оказываются необходимыми для обеспечения его живучести, так как продольные стыки обшивки препятствуют прохождению поперек них усталостных трещин.

Рис. 9.19. Продольные (а, б, в, г), Поперечные (д, е, ж)стыки обшивки и
моно­литная панель (з)

1,2- пояса лонжеронов, 3 - стрингер, 4-пояс нервюры, 5 -стыковая лента

Проверка прочности обшивки со стрингерным подкреплением производится при совместном действии σ и τ как на растяжение, так и на сжатие (в соответствии со случая­ми нагружения).

Более толстая обшивка препятствует потере устойчивости
стрин­герами, т.е. повышает σ_к.стр. Тонкая обшивка, теряя устойчивость, способствует потере устойчивости стрингера, т. е. понижает τ_к.стр.

Трехслойная обшивкасостоит из двух внешних слоев — не­сущих и внутреннего легкого связующего и поддерживающего слоя заполнителя
(рис. 14.20, а).

Несущие слои изготавливаются из тонких листов алюминиевых и титановых сплавов, стали, стекло- или углепластиков.

В качестве заполнителя могут использоваться пористые материалы (пенопласты) с плотностью 50...100 кг/м³, но чаще применяются более легкие сотовые заполнители из метал­лической фольги толщиной 0,05...0,2 мм или пластиков. С несу­щими слоями заполнитель соединяется склеиванием или пайкой.

Напряжения σ и τ, действующие в поперечном сечении обшивки от М_изг, Q, М_крут, воспринимаются несущими слоями. Заполнитель, обладая определенной жесткостью в направлении, перпендикулярном к обшивке, и при сдвиге, обеспечивает сов­местную работу несущих слоев при изгибе обшивки. За счет этого изгибная жесткость, σ_ки τ_к трех­слойной обшивки значительно выше, чем однослойной, поэтому она не нуждается в стрингерном подкреплении и часто установлен­ных нервюрах. Крыло с такой обшивкой легче крыла, имеющего однослойную обшивку с подкреп­ляющим стрингерным набором.

Рис 14.20 Трехслойная обшивка

а - конструкция панелей, б - окантовка торца панели, в - стык панелей, г, д. е - крепление деталей к трехслойным панелям

1 - несущий слой, 2 - пористый заполни­тель (пенопласт), 3 - сотовый заполнитель, 4 - сое-динительная вставка, 5 - пробка (втулка),
6 - ячейки заполнителя, залитые смолой,
7 - обжатый заполнитель

Жесткость трехслойной обшивки и отсутствие заклепочных швов обеспе-чивают высокое качество поверхности крыла, т. е. умень­шение аэродинамичес-кого сопротивления самолета. Досто­инствами трехслойной обшивки также являются повышенные усталостная прочность и вибростойкость, герметич-ность и кор­розионная стойкость.

Небольшое число и однотипность составных деталей снижает трудоемкость сборки трехслойных панелей.

Недостатками трехслойной обшивки являются сложность ее ремонта и усложнение соединения участков обшивки между собой и с другими элементами конструкции крыла, так как необходимо обеспечить соединение не только несущих слоев, но и заполнителя (рис. 9.14, б…е).

Нервюры

Нервюры — это поперечные силовые элементы крыла.

Нервюры прямого крыла, а также стреловидного и треугольного крыльев малого удлинения устанавливаются по потоку и, следовательно, под прямым углом к лонжерону, расположенному перпенди­кулярно оси самолета.

В стреловидной части крыла большого удлинения на участках, удаленных от конца и корня крыла, нервюры для уменьшения их длины устанавливаются обычно перпендикулярно одному из лонжеронов; по потоку распо­лагаются только концевая нервюра и нервюры центроплана.

По своему назначению и конструктивному оформлению нервюры подразделяются на нормальные и усиленные (силовые). Изготавли­вают нервюры в основном из алюминиевых сплавов, хромансиля (усиленные нервюры).

Нормальные нервюрыслужат для сохранения заданной формы профиля крыла, и передачи воздушной нагрузки с прилегающего к нервюре участка обшивки на балку крыла. Кроме того, нервюры, подкрепляя обшивку и стрингеры, повышают их критические напря­жения.

Обычно шаг нервюр t_н = 350...1000 мм. В крыле моноблочной силовой схемы шаг нервюр больше, чем в лонжеронной. Нервюры, подобно стойкам лонжерона, сопро­тивляются сплющиванию крыла (сближению сжатой и растянутой панелей) при изгибе и нагружаются при этом радиальными силами от стрингеров и присоединенной к ним обшивки. Однако эти силы значительны только там, где плоскость хорд имеет перелом (при изменении угла поперечного V)

Следует отметить, что если обшивка вместе с лонжеронами представляет собой оболочку, обладающую большой собственной (рамной) жесткостью в плоскости поперечного сечения, то роль нормальных нервюр снижается, так как значительная часть воз­душной нагрузки передается с обшивки непосредственно на лон­жероны, минуя их.

Усиленные нервюрывыполняют те же функции, что и нормальные, но главным их назначением является передача на балку крыла нагрузок, действующих от агрегатов, установленных на кры­ле (двигатели, шасси, механизация и др.), или перераспределение внутренних сил между участками и элементами крыла. Это опреде­ляет места расстановки усиленных нервюр.

Конструкция и работа нервюр

Воздушные нагрузки, передаваемые от обшивки на нервюру, и нагрузки, приложенные к усиленной нервюре и действующие в ее плоскости, стремятся сдвинуть (по вертикали) и повернуть её относительно балки крыла.

Нервюра уравновешивается силами, действующими на нее со стороны стенок и обшивки через соединительные элементы (рис. 14.21).

Рис 14.21. Схема уравновешивания нервюры

Воздушные нагрузки передаются на нервюру в виде сил, нор­мальных к поверхности обшивки; при этом обшивка, нагруженная разрежением, заставляет работать на растяжение заклепки, кре­пящие ее к полке нервюры.

Все нагрузки, действующие на нервюру, образуют силу и момент, вызывающие сдвиг и по­ворот ее за счет деформаций об­шивки, стенок и соединительных элементов. Пренебрегая податли­востью последних, за центр поворота можно принять центр жест­кости того сечения балки крыла, около которого установлена нервюра.

Уравновешивающие нервюру реакции обшивки и стенок действуют по направлению их наибольшей жесткости, т. е. по касатель­ным к контуру кессона. При этом заклепки, соединяющие нервюру с обшивкой и стенками, работают на срез.

Балочные нервюрынаиболее распространены. Они более жесткие, их конструкция легче и более технологична по сравнению с ферменной.

Примеры конструкций нормальных и усиленных балочных нер­вюр представлены на рис. 14.22.

Как правило, нервюры состоят из трех частей: носовой, средней (межлонжеронной) и хвостовой. Простота конструкции балочных нервюр объясняется тем, что многие их части изготав­ливаются штамповкой из листового материала.

Рис. 14.22. Конструкции нормальных и усиленных нервюр

а — балочная штампованная; б — балочная с поясами на межлонжеронной части;
в — балочная усиленная; г — рамная (поясная); д — монолитная усиленная..

1 — стрингер, 2 — зиг, 3, 5, 7 — пояса нервюры, 4,8 — компенсаторы, 6 — стенка нервюры, 9 — площадка для крепления обшивки

Нормальная нервюра соединяется с обшивкой посредством отбортовок, получаемых при штамповке (см. рис. 14.22, а). Так как в нервюре снизу и сверху делаются вырезы под стрингеры, то роль поясов в ней выполняет обшивка. Если этого недостаточно из-за малой толщины обшивки, то к стенке нервюры приклепывают­ся пояса обычно с уголковым сечением.

Часто по условиям крепления толщина стенки нервюры берет­ся большей, чем это требуется из условий прочности. Тогда для облегчения в ней выштамповывают отверстия с отбортовкой. Отбортовки по контуру отверстий, а также зиги (см. рис. 14.22, б) увеличивают жесткость стенок нервюр.

Соединение обшивки с нервюрой в ряде случаев производится при помощи так называемых компенсаторов (см. рис. 14.22, в и рис. 14.23), что позволяет более точно выдерживать заданную фор­му профиля крыла. Иногда в целях улучшения поверхности или уменьшения объема клепальных работ обшивка крепится только кстрингерам (см. рис. 14.22, б и рис. 14.23, г, д), а стрингеры крепятся к нервюре непосредственно или через компенсаторы.

В таких кон­струкциях передача на нервюру воздушных нагрузок
(по нормали к контуру обшивки) и реакций при уравновешивании нервюры (по касательной к контуру обшивки) происходит через стрингеры и компенсаторы.

Рис. 14. 23. Крепление обшивки (а, б), стрингеров (г, д), монолитной панели (в) к
нервюрам и крепление усиленной нервюры к лонжерону (е)

Рамные(поясные)нервюрыприменяются как нормальные нер­вюры в тех случаях, когда это необходимо по условиям компо­новки, например в местах размещения топливных баков в крыле (см. рис. 14.22, г).

Так как пояса рамной нервюры разделены, то каждый работает на изгиб, как балка малой высоты. Наверхний пояс нервюры передается воздушная нагрузка от верхней обшивки, а на нижний — от нижней обшивки. Обычная же балочная нервюра работает как балка с полной строительной высотой подобно лонжерону (рис. 9.24). Поэтому масса рамной нервюры получается больше, чем балочной.

Ферменные нервюрыприменяются главным образом в конструк­циях крыльев легких самолетов с полотняной обшивкой.

Расчет нервюр на прочность

Основной для расчета нор­мальной нервюры является воз­душная наг-рузка, передающаяся с полосы крыла шириной, равной шагу нервюр t_H.

Рис. 14.24. Схемы нагружения, урав­новешивания и эпюры Q и Мнзг нор­мальной нервюры

Равнодействующая воздушной нагрузки на нервюру

(14.22)

где q_yв—значение погонной воздушной нагрузки (распреде­ленной по крылу) у рассматриваемой нервюры.

При расчете усиленных нервюр воздушная нагрузка учитывает­ся так же, как для нормальных. Но основными для них являются те нагрузки, для восприятия которых они специально поставлены: от узлов крепления (шасси, двигателей) или от силовых элементов крыла Нагрузки определяются с учетом того, как опи­раются эти конструкции на рассчитываемую нервюру.

При расчете нервюр нагрузка их массовыми силами собствен­ной конструкции обычно не учитывается.

Схема уравновешивания усиленной нервюры и передачи сил от нервюры на балку крыла показана на рис. 14.21.

Последовательность расчета является общей для нормальных и усиленных нервюр. Разберем ее на примере нормальной нервюры, на которую действует воздушная нагрузка ΔY_Н (см. рис. 14.24).

Все три участка нервюры соединены между собой, и она рас­сматривается как балка, опирающаяся по контуру на обшивку и стенки лонжеронов.

Нагрузка на нервюру рассматривается в виде силы ΔQ = ΔY_Н, приложенной в центре жесткости сечения балки крыла в том месте, где стоит нервюра, и вращающей ее относительно центра жесткости момента ΔМ_крут. Сила ΔQ и момент ΔМ_крут = ΔY_на пред­ставляют собой добавки к поперечной силе и крутящему моменту крыла, создаваемые нервюрой.

Уравновешивающие нервюру реактивные потоки касательных сил
(см. рис. 14.24) определяются по формулам

. (14.23)

где ΔQ, — нагрузка на стенку i-го лонжерона от силы ΔQ; J_i, — момент инерции i-го лонжерона; F_K— суммарная площадь кон­туров носовой и межлонжеронной частей сечения.

Поток Δq_Мкрут в стенке переднего лонжерона и обшивке хвос­товой части сечения приближенно принимается равным нулю.

Для построения эпюр Qи М_изгнервюры нагружаем ее нагрузкой q_Hот ΔY_Н, распределенной в соответствии с диаграммой распределения давления по хорде крыла.

Примерный вид эпюр Qи М_изг от q_Hи реакций касательных сил приведен на рис. 14.24.

По значениям Qи М_изгпроверяются на прочность стенка и пояса нервюры так же, как соответствующие элементы лонжерона.