Расчет и проектирование фюзеляжа

Конструктивные схемы фюзеляжей

Фюзеляж СЛА предназначен для размещения пилота, двигателя, топлива, полезной нагрузки и оборудования. Его геометрические размеры и форма в основном определяются в процессе аэродинамического расчета и объемной компоновки.

С точки зрения строительной механики фюзеляж является строительной базой, к которой крепятся крыло, хвостовое оперение, шасси, силовая установка, а также различные агрегаты и грузы. На фюзеляже происходит уравновешивание всех сил и моментов, передаваемых с частей самолета.

По силовым схемам фюзеляжи можно разбить на три класса:

• ферменные
• балочные
• комбинированные

Ферменный фюзеляж состоит собственно из фермы, чаще всего прямоугольной формы, и нескольких гаргротов (рис. 4. 14), придающих фюзеляжу удобообтекаемую форму. Ферма обычно сваривается из мягкой стали, а расчалки изготавливаются на высокопрочной стальной проволоки. Каркас гаргротов изготавливается из деревянных реек и фанеры. Обшивка гаргротов может быть любой, так как она не несет почти никакой нагрузки. В весовом отношении ферма (при больших строительных высотах) является конструкцией достаточно выгодной, но наличие гаргротов резко снижает ее преимущества. К недостаткам ферменных фюзеляжей относится также наличие диагональных элементов фермы, мешающих размещению кабины и оборудования.



Рис 4.14 Сечения ферменных фюзеляжей

Большее применение на СЛА находят балочные и комбинированные фюзеляжи.

Балочный фюзеляж представляет собой пустотелую балку-трубу переменного сечения, в которой изгиб и кручение воспринимаются силовым набором совместно с подкрепленной обшивкой.

В продольный силовой набор фюзеляжа могут входить лонжероны и стрингеры, в поперечной - силовые и нормальный (формообразующие) шпангоуты. Кроме того, часто устанавливаются элементы вспомогательного назначения для местного усиления основной конструкции или установки пилотских кресел, двигателей, агрегатов и оборудования.

В зависимости от набора силовых элементов различают три группы балочных фюзеляжей: лонжеронные, стрингерные и обшивочные (монококковые). Лонжеронный фюзеляж состоит из нескольких (чаще всего четырех) лонжеронов, набора силовых и нормальных шпангоутов и тонкой обшивки. В стрингерном фюзеляже имеется большое количество стрингеров, набор шпангоутов и обшивки. Обшивочный фюзеляж состоит из толстой обшивки, подкрепленной шпангоутами, или трехслойной обшивки без шпангоутов. Сечения балочных фюзеляжей перечисленных выше групп лонжеронного а, стрингерного б, обшивочных в и г представлены на рис. 4. 15.



Рис 4.15 Сечения балочных фюзеляжей
а - лонжеронного, б - стрингерного, в и г - обшивочного

На СЛА находят достаточно широкое применение комбинированные фюзеляжи. Например, стрингерный фюзеляж в носовой части может переходить в балочный возле кабины, а затем в обшивочный в хвостовой части. Такой переход на СЛА бывает целесообразным в связи с несколько необычной компоновкой этих ЛА и включением в их силовой набор нетрадиционных элементов конструкции. Такими элементами могут быть сиденья, спинка и даже заголовник кресла пилота.

Использование обшивочных фюзеляжей вызвано широким применением таких, пока нетрадиционных в "большой авиации", материалов, как пенопласт, стеклоткань и эпоксидные смолы.

Более того, на некоторых СЛА основным силовым элементом фюзеляжа является пилотское кресло, а хвостовая часть фюзеляжа представляет собой тонкостенную трубу чаще всего из Д-16Т или композиционных материалов на основе стеклоткани и эпоксидной смолы.

У некоторых СЛА вместо фюзеляжа применяется гондола. Она является элементом менее загруженным, чем фюзеляж, так как усилия с оперения на крыло передаются с помощью балок.

Целесообразность использования той или иной схемы необходимо рассматривать во всей совокупности аэродинамических, прочностных, технологических и эксплуатационных факторов.

Определение нагрузок, построение эпюр поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов

Нагрузками, действующими на фюзеляж, являются:

• силы, передаваемые на фюзеляж от прикрепленных к нему частей самолета: крыла, оперения, силовой установки, шасси (при движении самолета по земле)
• вес и инерционные силы от полезной нагрузки, агрегатов, расположенных в фюзеляже, а также от масс конструкции самого фюзеляжа
• аэродинамические силы, действующие непосредственно на фюзеляж

Величина этих нагрузок неодинакова, и некоторыми из них при прочностных расчетах фюзеляжа можно пренебрегать. Так, например, для фюзеляжа СЛС несущественными являются аэродинамические нагрузки от масс конструкции самого фюзеляжа.

Основной расчет целесообразно вести на нагрузки, передаваемые на фюзеляж с горизонтального оперения, и инерционные нагрузки от агрегатов, расположенных в фюзеляже. Такое нагружение называют симметричным, так как нагрузки действуют в плоскости симметрии самолета. Примером симметричного нагружения являются нагружения: в прямолинейном горизонтальном полете, при выходе из пикирования, вход в пикирование, при посадке.

Кроме симметричного самолет может испытывать и несимметричное нагружение. Пример такого нагружения - полет с отклоненным рулем направления. Несимметричное нагружение, кроме сдвига и изгиба, загружает фюзеляж и крутящим моментом.

Нормы прочности требуют, чтобы прочность фюзеляжа была проверена по всем расчетным случаям нагружения крыла и оперения. Однако это процесс длительный, трудоемкий и малоприемлемый для СЛС любительской постройки. Достаточно рассчитать фюзеляж на случай выхода из пикирования с максимальной эксплуатационной перегрузкой при резком отклонении руля высоты на кабрирование. Затем произвести проверку прочности фюзеляжа на кручение при полете со скольжением и полностью отклоненном руле направления.

Построение эпюр поперечных сил и изгибающих моментов (рис. 4. 16) производится в такой последовательности:



Рис 4.16 Построение эпюры поперечных сил и изгибающих моментов

а) изображается контур фюзеляжа с нанесением точек приложения и величин инерционных сил от размещенных в нем агрегатов. Координаты точек приложения можно перенести с чертежа



Рис 2.9

который использовался при расчете центровки, а величину инерционной силы любого из агрегатов можно определить по формуле



б) к точке, расположенной на 25% хорды горизонтального оперения, прикладывается его подъемная сила, направленная вниз, вычисленная по формуле 1 (4. 16);
в) строится эпюра поперечной силы Q путем последовательного суммирования сил от хвостовой (и носовой) части к точке крепления лонжерона крыла;
г) аналогично крылу, в соответствии с правилами технической механики, строится эпюра изгибающих моментов M .

По полученным эпюрам, после выбора конструктивно-силовой схемы, определяются сечения силовых элементов фюзеляжа.

Крутящий момент на фюзеляже возникает вследствие того, что направление векторов боковой силы, создаваемой вертикальным оперением при отклоненном руле направления, и подъемной силы горизонтального оперения при полете самолета со скольжением не совпадают, (рис. 4. 17) с осью жесткости фюзеляжа.



Рис 4.17 Возникновение крутящего момента на фюзеляже

Рис 4.18 Силовой набор передней части фюзеляжа

Этот момент легко определить по формуле



где P -боковая сила вертикального оперения, а h- расстояние от точки приложения этой силы до оси жесткости фюзеляжа.

Боковая сила вертикального оперения P и подъемная сила горизонтального оперения Уго вычисляются по формулам (4. 17) и (4. 16).

Разработка конструктивно-силовой схемы

По силовой схеме и конструкции фюзеляж является достаточно сложным агрегатом планера. Это объясняется большим разнообразием передаваемых на него нагрузок, жесткими требованиями к размещению кресла пилота, силовой установки и ряда агрегатов, обусловленных центровой и объемной компоновкой самолета. В связи с этим при выборе оптимальной силовой схемы необходимо учитывать целый ряд факторов: назначение СЛА, его маневренные свойства, наличие материалов, технологические возможности, оснащенность КБ станками и оборудованием.

Силовая схема СЛА чаще всего бывает смешанной;

Это связано с включением в силовую схему кресла пилота и ряда других агрегатов и узлов конструкции. Особое внимание необходимо уделять многофункциональности ее элементов. Это значит, что конструктор должен стремиться к уменьшению числа элементов и узлов за счет того, что один и тот же узел одновременно выполняет несколько функций. В качестве примера можно рассмотреть силовой набор передней части фюзеляжа (рис. 4. 18), основным элементом которого является каркас кресла пилота. Он состоит из двух соединенных между собой продольных силовых элементов 17, каждый из которых выполнен в виде изогнутой двутавровой балки. К этим балкам крепятся:

• шпангоуты 1, 3, 4, 6, 9
• стойка переднего колеса 20, вместе с педальным механизмом 2
• кронштейн с роликами 19 системы разворота переднего колеса
• командный узел управления самолетом 18
• сиденье пилота 16 со спинкой 7 и системой привязных ремней
• две пластины 14, передающие усилия на рессору 13 основных колес шасси, и задний лонжерон 11

Пластина 14, в свою очередь, является кронштейном для оси роликов 15 и сектора 12 системы управления рулем высоты.

К силовому шпангоуту 1 крепится двигатель, а его стенка одновременно является противопожарной перегородкой.

К шпангоуту 4 крепится подфонарная жесткость, а роль стенки этого шпангоута выполняет панель приборной доски 5.

Спинка кресла одновременно является наклонным силовым шпангоутом, передающим усилия с обшивки фюзеляжа на узлы его крепления к переднему лонжерону крыла.

Приведенный выше частный пример силовой компоновки не может быть перенесен на другие СЛА и служит лишь для иллюстрации возможной многофункциональности элементов конструкции. Однако существуют и некоторые общие закономерности, которые можно переносить на любую конструкцию:

• уменьшение числа звеньев любого узла
• уменьшение числа разъемных соединений и вырезов в замкнутых контурах
• устранение концентраторов напряжений в элементах конструкции
• передача усилия по кратчайшим расстояниям, и, желательно, растяжением элементов
• применение силовых элементов с двутавровым сечением при работе на изгиб и коробчатым-при работе на кручение
• применение трехслойных конструкций и конструкций с заполнителем

Очень сложными являются задачи нахождения решения, близкого к оптимальному при противоречивых требованиях. Так, например, с точки зрения аэродинамики фюзеляж должен иметь плавные обводы. Обшивка такого фюзеляжа штампуется из металла, выклеивается из стеклоткани или узких полос шпона и не может быть изготовлена простым изгибом листового материала. Процесс штамповки требует сложного и дорогостоящего оборудования, а процесс выклейки - больших трудозатрат и не всегда отвечает условию заданной чистоты поверхности. С точки зрения строительной механики выгодно использовать балочный фюзеляж с четырьмя лонжеронами. Но такой фюзеляж будет иметь форму вытянутой усеченной пирамиды с вершиной возле оперения или двух усеченных пирамид, состыкованных основаниями около кабины пилота. Такие формы фюзеляжа не в полной мере отвечают требованиям аэродинамики и дизайна.

Эти, казалось бы, крайне противоречивые требования можно выполнить, если балки в носовой и хвостовой частях фюзеляжа изготовить в виде уголков с последующим заполнением пенопластом. Сечения фюзеляжа по его длине (рис. 4. 19) имеют плавные переходы, а обшивка между уголковыми лонжеронами может быть изготовлена из любого листового материала, так как образующей криволинейной поверхности обшивки является прямая. Обработка пенопласта, заполняющего уголок, достаточно проста и не требует больших трудозатрат.



Рис 4.19 Сечения лонжеронного фюзеляжа с уголковыми донжеронами

Разрешение подобных противоречий должно осуществляться в следующем порядке:

• разрабатывается наилучший, может быть, даже идеальный вариант с точки зрения аэродинамики
• разрабатывается наилучший вариант с точки зрения прочности при минимальной массе
• делается попытка совместить указанные выше требования на основе оригинальных конструктивных и технологических решений

При всей сложности и серьезности этих задач следует отметить, что фюзеляж СЛА как раз и является той частью самолета, где имеется наибольший простор для творческой мысли конструктора.

Расчет элементов конструкции балочных фюзеляжей

Для каждого из выбранных контрольных сечений, в соответствии с действующей поперечной силой, изгибающим и крутящим моментом, производится расчет элементов продольного силового набора и толщины обшивки.

На СЛА чаще всего используются лонжеронные фюзеляжи, в состав силового набора которых входят (рис. 4. 15, а) четыре лонжерона. При расчете таких фюзеляжей осевые усилия, действующие в любом из лонжеронов, определяются по формуле



где М_и-изгибающий момент, а Н_л -строительная высота в рассматриваемом сечении.

Потребные площади сечений растянутого и сжатого лонжеронов определяются по формулам



Толщину обшивки хвостовой части фюзеляжа необходимо выбирать из условия совместного действия поперечной силы Q и крутящего момента М_к.

Для лонжеронного фюзеляжа можно принять следующий порядок проведения приближенного проектировочного расчета толщины обшивки.

1. Выбирается материал и задается толщина обшивки (можно первоначально принять ?=0,5 мм).

2. По формуле



определяется действующее значение напряжения сдвига под действием поперечной силы Q, а по формуле (3. 8) - напряжение, возникающее под воздействием крутящего момента Мкр.

Полученные напряжения суммируются:



3. По графику, представленному на рис. 3. 8,



или по формуле (3. 16), с учетом размера пластины, не подкрепленной силовыми элементами, определяются критические напряжения сдвига .

4. Сравниваются действующие напряжения сдвига с критическими. Если действующие значения намного меньше критических, то необходимо задаться меньшей толщиной обшивки и расчет повторить. Если > , то толщину обшивки необходимо увеличивать. В итоге должно примерно равняться t , но ни в коем случае не превышать его.

Расчет стрингерного фюзеляжа можно вести в той же последовательности, но считать, что изгибающий момент воспринимается только верхним и нижним сводами, включающими стрингеры и обшивку. При этом высоту сводов принимают равной 1/4 высоты Н или диаметра D фюзеляжа, а строительную высоту Н_л считают равной 2/3 от диаметра.

по материалам: П.И.Чумак, В.Ф Кривокрысенко "Расчет и проектирование СЛА"