Внешние формы и геометрические характеристики фюзеляжа У современных самолетов лобовое сопротивление фюзеляжа составляет 20-40 % от общего сопротивления самолета. Для уменьшения лобового сопротивления габаритные размеры фюзеляжа должны быть малыми, а форма удобообтекаемой. Фюзеляж характеризуется размерами, формой поперечного сечения, видом сбоку и удлинениями Основные размеры фюзеляжа следующие: длина LФ, диаметр DФ или высота Н и ширина b миделевого (наибольшего) сечения. Удлинением фюзеляжа l Ф называют отношение его длины LФ к диаметру круга DФ, равного по площади миделеву сечению фюзеляжа: l Ф = LФ/DФ. Для фюзеляжа некруглого сечения DФ= 2 SФ/p, где SФ- площадь миделевого сечения. Длину фюзеляжа можно определить из выражения для удлинения фюзеляжа: LФ=l ФDФ. С точки зрения аэродинамики и обеспечения достаточной прочности геометрического фюзеляжа при небольшой его массе наиболее выгоден фюзеляж круглого сечения, поперечные элементы которого - шпангоуты и обшивка - при избыточном давлении внутри фюзеляжа работают только на разрыв. 1 Силовые элементы фюзеляжа овального и прямоугольного сечения при избыточном давлении внутри фюзеляжа работают не только на разрыв, но и на изгиб. Следовательно, такие фюзеляжи по сравнению с фюзеляжами круглого сечения требуют упрочнения элементов конструкции, что приводит к увеличению их массы. Однако овальная и прямоугольная формы фюзеляжей выгоднее круглой, так как можно более рационально использовать внутренний объем. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ФЮЗЕЛЯЖ Условия нагружения фюзеляжа. На фюзеляж в различных условиях эксплуатации могут действовать следующие нагрузки: 1 – силы, передающиеся на фюзеляж от прикрепленных к нему частей летательного аппарата (крыла, оперения, двигательных установок, шасси); 2 - массовые силы грузов и агрегатов, расположенных внутри фюзеляжа, а также массовые силы собственной конструкции ; 3 - реакции земли или воды в аварийной ситуации, приложенные непосредственно к фюзеляжу; 4 - аэродинамические силы (разрежение или давление), распределенные по поверхности фюзеляжа; 5 - давление (или разрежение) в герметических отсеках. В отличие от крыла приложенные к поверхности фюзеляжа аэродинамические силы распределены так, что не оказывают существеного влияния на работу конструкции фюзеляжа как балки. Но эти с могут оказаться решающими при расчете отдельных частей (например, фонаря кабины) на местную прочность. 2 а) подъемная сила крыла Случаи нагружения фюзеляжа самолета, предусмотренные нормами прочности, представляют три группы. І-я группа. Случаи нагружения частей ЛА, примыкающих к фюзеляжу. ЛА рассматривается как тело, находящееся в равновесии под действием поверхностных и массовых нагрузок фюзеляжа и частей, примыкающих к фюзеляжу. Коэффициенты безопасности f для фюзеляжа принимаются такими же, как и для примыкающих к нему частей. 1-я подгруппа. Случаи, в которых отсутствует ускоренное вращение ЛА относительно центра тяжести. Для случай "А" нагружения имеет следующую схему действующих поверхностных поверхностных сил, параллельные оси y (рис. а): - Y=nAG, определяется по нормам прочности для случая “А” крыла; - уравновешивающая нагрузка на горизонтальное опере Yг.о., определяется из условия равновесия моментов относительно центра тяжести ЛА. Перегрузка в центре тяжести ЛА пу отличается по величине от перегрузки пА , задаваемой нормами прочности крыла: 3 Вследствие отсутствия ускоренного вращения ЛА величина пу для всех грузов одинакова. Поэтому массовая сила груза или агрегата, имеющего вес Gi, равна YMi= ny*Gi 2-я подгруппа. Случаи, связанные с ускоренным вращением самолета относительно его центра тяжести. В качестве примера рассмотрим действие маневренной нагрузки на горизонтальное оперение в случае "В" . На ЛА действуют поверхностные силы, параллельные оси у (рис. б): Рис. Силы действующие на ЛА б) - в случае нагружения "В” - подъемная сила крыла - уравновешивающая нагрузка на горизонтальное оперение - маневренная нагрузка на горизонтальное оперение Под действием неуравновешенной силы ЛА совершает вращение относительно центра тяжести с угловым ускорением где - массовый момент инерции ЛА относительно оси Z; 4 Перегрузка в центре тяжести самолета Перегрузка в точке, не лежащей в центре тяжести, Знаки плюс или минус берутся в зависимости от направлений массовых сил Yмi пост и YМi вр в рассматриваемой точке (рис. б). Массовая сила произвольного груза i 2-я группа. Случаи непосредственного нагружения фюзеляжа. Основными случаями этой группы являются Кф, Рф, Пф, Мф, Нф Случай Кф - неполный капот (рис. а). Этот случай рассматривается только для самолетов с хвостовым колесом. 5 Случай Рф - полный капот (рис. б). Этот случай рассматривается только для самолетов с G0 10 000 кг Случай Пф -вынужденная посадка с убранным шасси (рис. в). Нагрузка от земли передается на фюзеляж в секторе, обозначенном углами 60° и 30°. Случай Мф - вынужденная посадка на воду. Рассматривается действие гидродинамической нагрузки при ударе о воду. 6 Случай Нф - боковая нагрузка передней части фюзеляжа (например, вираж со скольжением). За «переднюю» часть принимают часть фюзеляжа от носка до переднего лонжерона крыла. Рассматривается нагружение носовой части фюзеляжа только массовыми-силами в направлении оси z. 3-я группа. Нагружение распределенными аэродинамическими силами и силами давления и разрежения в герметических отсеках. Рис. Диаграммы распределения давления по поверхности фюзеляжа: а) - фюзеляж с выступающим фонарем; б) − фюзеляж, выполненный по форме тела вращения с цилиндрической вставкой 7 Деформации же обшивки и нагрузка на ее крепления определяются избыточным давлением которое находится как разность абсолютных давлений: или манометрических (избыточных по сравнению с атмосферным РаТ) аэродинамического и давления в кабине Ркаб особенно неблагоприятные условия нагружения обшивки (и стекол) будут, если: −аэродинамическое избыточное давление −аэродинамическое избыточное давление > 0, а разрежение в кабине Ркаб<0 ; <0 , а разрежение в кабине Ркаб>0 . КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ ФЮЗЕЛЯЖА НА ПРОЧНОСТЬ Фюзеляж обычной схемы (монофюзеляж) представляет собой балку, опертую на крыло и работающую на изгиб и кручение (рис. а). 8 В балочном фюзеляже основными силовыми элементами являются: работающая обшивка; силовые элементы продольного набора - нормальные и усиленные стрингеры; силовые элементы поперечного набора - нормальные и усиленные шпангоуты. В зависимости от того, какие силовые элементы включены в конструкцию, различают два ее типа. 1. Полумонокок, или балочно-стрингерный фюзеляж (рис.9.7.а,б). .2. Монокок, или балочно-скорлупный фюзеляж. Толстая работающая обшивка подкреплена только шпангоутами. По схеме монокок выполняются отдельные отсеки фюзеляжей не имеющих вырезов в обшивке. Фюзеляжи, выполненные по схеме монокок, встречаются редко. Это объясняется тем, что для компенсации выреза в бесстрингерной обшивке требуется установка усилений, значительно увеличивающих вес конструкции. Схемы балочных фюзеляжей: аполумонокок с нормальными стрингерами; б-полумонокок с усиленными стрингерами; в-монокок. 1-шпангоут; 2 - нормальные стрингеры; 3 усиленный стрингер; 4 -толстая обшивка 9 Вследствие сходства силовых схем крыла и фюзеляжа имеется аналогия в назначении и работе элементов балочного фюзеляжа и крыла (рис. а, б) Аналогия в назначении и работе: а) – крыла; б) – балочного фюзеляжа № 1 2 3 4 5 Балка крыл Балка фюзеляжа Работающая обшивка крыла Работающая обшивка Нормальные стрингеры крыла фюзеляжа Пояса лонжеронов Нормальные стрингеры Стенки лонжеронов фюзеляжа Нормальные нервюры Усиленные стрингеры Боковые панели обшивки Нормальные шпангоуты Аналогия в работе балочного фюзеляжа и крыла позволяет при расчете фюзеляжа на прочность применять такие же методы расчета, как для крыла. 10 Усилия в сечениях фюзеляжа В общем случае в поперечном сечении фюзеляжа действуют вертикальные или горизонтальные поперечные силы, изгибающие и крутящий моменты (рис. а, б) Рис. Усилия в сечении фюзеляжа: а —при вертикальном изгибе; б —при горизонтальном изгибе я кручении Определение напряжений в сечениях фюзеляжа и проверка прочности продольного набора и обшивки Расчет на вертикальный изгиб является основным для подбора сечений продольного набора. Наиболее существенными нагрузками, вызывающими изгиб фюзеляжа в вертикальной плоскости, являются нагрузки в полетных случаях А, А' и В и в посадочном случае Е. Сечение фюзеляжа схематизируется как сечение двухпоясной балки (рис.). 11 Расчет фюзеляжа на вертикальный изгиб: а, б, в - схематизация сечения; г - угол конусности, учитываемый при расчете на сдвиг в вертикальной плоскости. Своды сечения рассматриваются как пояса балки, боковины - как стенки. За рабочую высоту Н двухпоясной балки принимается: 1) при конструкции с усиленными стрингерами - расстояние между ними (рис. а); 2) при стрингерной конструкции для круглых и эллиптических сечений (рис. б); высота свода для них принимается равной (на рис. б своды выделены штриховыми линиями). Фиктивное нормальное напряжение в своде равно 12 где - редуцированная площадь сечения свода Редуцированная площадь сечения свода (верхнего или нижнего) определяется так же, как это делалось при расчете панелей крыла. где f - площадь сечения усиленного стрингера (для рассматриваемого свода); площадь сечения нормального стрингера; - площадь сечения обшивки ( - длина дуги рассматриваемого свода). Действительные значения нормальных напряжений в элементах свода могут быть получены из выражения Величина редукционного коэффициента выбирается таким же образом, как и при приближенном расчете крыла. Если напряжения близки к разрушающим, то Если напряжения невелики (для сжатой зоны меньше растянутой меньше ), то , а для 13 Касательные напряжения в боковинах обшивки фюзеляжа при вертикальном изгибе определяются по формулам где - толщина боковой обшивки, а При определении т не учитывается кривизна боковин. Приведенное значение силы Q в расчетном сечении находится с учетом конусности фюзеляжа (рис., г) при виде сбоку по формуле где - значение поперечной силы, полученное при расчете эпюры Q, без учета конусности; α - угол конусности; определяется как угол между осями усиленных стрингеров или линиями, соединяющими точки, соответствующие Под действием напряжений, найденных из расчета на вертикальный изгиб, элементы фюзеляжа проверяются на прочность так же, как аналогичные элементы крыла: 14 - обшивка и нормальные стрингеры верхнего и нижнего сводов - как обшивка и стрингеры крыла при работе на нормальные напряжения, - обшивка боковин - на сдвиг как стенки лонжеронов, - усиленные стрингеры - как пояса лонжеронов. Дополнение 1. При расчете сечений фюзеляжа ,расположенных в пределах герметических отсеков ,должно быть учтено нагружение этих отсеков внутренним давлением. От этого давления в элементах фюзеляжа развиваются дополнительные нормальные напряжения. Для цилиндрической круговой оболочки дополнительное осевое напряжение. где - расчетное избыточное давление ;R - радиус цилиндра; приведенная толщина обшивки. Так как - То формула ф фиктивного нормального напряжения, с учетом внутреннего избыточного давления в герметическом отсеке фюзеляжа, примет вид 15 где знак « + » берется для растянутого свода, а «-» - для сжатого свода. 2. При определении нормальных напряжений в элементах свода по формуле не учитывается различное расположение силовых элементов по высоте, различное расстояние их от нейтральной оси. Ошибка будет незначительной, если все эле-менты работают в зоне пластических деформаций (рис. 9.13, б). При малых напряжениях (рис. 9.13, а) расчет неточен. Поправку можно внести для наиболее удаленных от нейтральной оси элементов, пользуясь формулой, аналогичной применяемой в приближенном расчете крыла где - расстояние элемента от нейтральней оси. Рис. Распределение нормальных напряжений по высоте сечения фюзеляжа при работе элементов в зоне упругих (а) и в зоне пластиковых (б) деформаций 16 Расчет на горизонтальный изгиб и кручение Нагрузками, вызывающими горизонтальный изгиб и кручение фюзеляжа, являются боковые поверхностные и массовые силы. Наиболее существенные из них для носовой части - это нагрузки при скольжении, для хвостовой части случаи нагружения вертикального оперения при маневре, в болтанку, а для самолетов с несколькими двигателями также случай остановки двигателей с одной стороны от плоскости симметрии. При расчете на горизонтальный изгиб балочный фюзеляж, как и при рассмотрении вертикального изгиба, схематизируется в виде 2-х поясной балки (рис., а). Рис. Расчет фюзеляжа на горизонтальный изгиб и кручение: а - схематизация сечения; б усилия в сечении и касательные напряжения в обшивке. Боковины сечения рассматриваются как пояса балки, своды -как стенки. При определении рабочей высоты двухпоясной балки В применяются те же правила, как для Н в случае вертикального изгиба фюзеляжа. 17 Нормальные напряжения в элементах боковых сводов определяют, как и при расчете на вертикальный изгиб. При этом редуцированная площадь бокового свода находится по выражению, аналогичному выражению (9.9) FРЕД .б 2 f f СТР.б СТР.б f ОбШ .б ОбШ .б . в которое входят размеры элементов бокового свода. При горизонтальном изгибе и кручении фюзеляжа получаются большие касательные напряжения в обшивке, вызываемые поперечной силой и крутящим моментом. Так как боковины фюзеляжа симметричны, то центр жесткости сечения находится на его вертикальной оси. Положение центра жесткости по высоте приближенно определяется соотношением площадей сечения обшивки как положение центра тяжести площадей верхнего и нижнего сводов. При вычислении крутящего момента принимается, что ось жесткости сечения перпендикулярна плоскости шпангоута. Величина крутящего момента вычисляется как сумма моментов всех сил (поверхностных и массовых), действующих на отсеченную часть фюзеляжа, относительно оси жесткости рассматриваемого сечения. Так, при действии на отсеченную хвостовую часть только силы Рв.о (рис., б) М кр РВ.О h 18 Погонные касательные усилия от поперечной силы, приложенной в центре жесткости, находятся аналогично тому, как при вертикальном изгибе qQ Q 2B Приведенное значение силы Q с учетом конусности фюзеляжа определяется по формул Q Qэп М КР , В где - угол конусности при виде сверху, определяемый аналогично углу конусности при виде сбоку (рис., г). Касательные усилия в замкнутом контуре сечения от крутящего момента находятся по формуле q M КР М КР 2 FK где FK - площадь контура сечения. Суммарные касательные усилия и напряжения подсчитываются по формулам: q qQ q M KP qQ qM KP , при этом в расчет вводятся толщины верхней ОБШ . В и ОБШ .Н . нижней обшивки Так как вертикальное оперение расположено над фюзеляжем, то вызванные нагрузкой на это оперение усилия qQ и q M KP в обшивке верхнего свода всегда складываются 19 При горизонтальном изгибе и кручении обшивка боковин фюзеляжа работает на нормальные и на касательные напряжения. Поэтому проверку ее прочности следует вести так же, как для обшивки крыла при совместном действии и . Особенности конструкции и расчета на прочность герметических кабин. Современные самолеты летают на больших скоростях и для обеспечения нормальной жизнедеятельности пассажиров в кабине потребовалось создать необходимое давление. Кабина самолета, внутри которой в полете поддерживается повышенной (по сравнению с атмосферным) давление воздуха, называется герметической. Кабины пассажирских самолетов, как правило, представляют собой герметизированный отсек фюзеляжа и полностью включены в его силовую схему. Подобная кабина работает, как сосуд, под действием внутреннего давления, а также подвергается изгибу и кручению, как и обычный фюзеляж. 20 Кабине экипажа и пассажиров стремятся придать кабине форму цилиндрической оболочки, закрытой по концам сферическими днищами. Переход от цилиндрических стенок к днищу по возможности должен быть плавным, без переломов. При переломах днище, нагруженное избыточным давлением, сжимает стенки цилиндра в направлении радиусов и тогда в этом месте необходимо ставить усиленный шпангоут. Особенно нужно подкреплять плоские днища., Для уменьшения напряжений от избыточного давления герметические отсеки целесообразно выполнять как сочетание цилиндрических, сферических и конических участков с усиленными шпангоутами в местах сопряжения. Рис. Конструкция сферического гермоднища герметической кабины. 21 При определении напряжений от разности давлений обшивка отсека рассматривается как безмоментная оболочка. Расчетная схема отсека - тонкостенный сосуд со стенками, нежесткими на изгиб. Для безмоментной оболочки, представляющей тело вращения (рис.), Рис. К определению напряжений от избыточного давления в безмоментной оболочке нормальные напряжения вычисляются по формуле 1 р1 2 р2 р , где Р1 и Р2 - радиусы кривизны в меридиональном и в кольцевом сечениях; 1 и 2 - соответствующие нормальные напряжения; р - расчетное избыточное давление, определяемое по нормам прочности; - толщина обшивки. 22 В частном случае для сферического участка кабины ( для сферического днища) р1=р2=р и 12 , поэтому Меняя параметры сфероида можно аппроксимировать форму произвольной формы Для участка конструкции, представляющего круговой цилиндр, , поэтому величина 1 меридиональных напряжений (кольцевых напряжений) 1 рр1 , Величина 2 (продольных напряжений) находится из условия равновесия отсеченной части кабины 23 Если конструкция отсека обеспечивает включение в работу на нормальные напряжения стрингеров, то где - приведенная толщина обшивки. Следует иметь в виду, что в местах сопряжения поверхностей разной кривизны должны стоять усиленные шпангоуты или рамы, иначе в обшивке возникают значительные дополнительные напряжения изгиба. 24
