Балки в конструкции самолета

Балки, применяемые в конструкции самолетов, должны удовлетворять заданным требованиям прочности и жесткости при наименьшей массе. В конструкции самолета балки работают на изгиб со сдвигом и сжатием (или растяжением) одновременно. Поэтому следует выбирать форму сечения балок так, чтобы наибольшая часть массы материала располагалась возможно дальше от нейтральной оси.

Балки могут быть сплошными (монолитными) или составными. Сплошные балки изготовляют способом проката (а)



если сечение постоянно вдоль длины балки, или способом горячей штамповки (б), если форма и размеры сечения изменяются. Составные балки собирают из отдельных элементов: поясов, стенок и стоек, соединяемых друг с другом при помощи заклепок, болтов, сварки или клея. Различают балки с одной или двумя стенками. Верхние и нижние пояса одностеночных балок обычно имеют тавровое сечение, поэтому такие балки называют двутавровыми.



Пояса менее нагруженных балок могут иметь форму уголков, образующих со стенкой балку в форме швеллера.



Балки швеллерного сечения применяют иногда по технологическим соображениям в качестве замыкающих стенок крыла и оперения, когда нужно обеспечить возможность открытой клепки.

Двухстеночные балки образуют по форме сечения замкнутый контур и называются коробчатыми.



Обычно коробчатые балки имеют швеллерные пояса (а), хотя известны балки с поясами трубчатого сечения из круглых или овальных труб (б). ПРименение овальных труб позволяет удалить материал поясов на большее расстояние от нейтральной оси, чем у круглых труб. Благодаря этому могут быть уменьшены толщина и масса поясов при сохранении потребного значения момента сопротивления. Это имеет значение в тех случаях, когла высота балки ограничена, как например, высота лонжерона крыла или оперения, ограниченная требованиями аэродинамики.

В практике самолетостроения встречались металлические лонжероны в виде коробчатых балок, однако можно отметить, что более характерна эта форма поперечного сечения для деревянных лонжеронов (в). Можно ожидать возвращения к коробчатым сечениям балок при применении в самолетостроении пластиков и дельта-древесины.

При изгибе балки в поясах возникают приемущественно нормальные напряжения сжатия и растяжения от действия изгибающего момента, в стенках - приемущественно касательные напряжения (сдвиг) от действия перерезывающей силы. Стойки нагружаются при потере устойчивости стенки, повышая несущую способность стенки и поясов. Стойки делят пояса на короткие участки, благодаря чему уменьшаются изгибные напряжения в поясах, возникающие при потере устойчивости стенки. Помимо этого стойки делят стенку на клетки, повышая этим критические напряжения стенки при сдвиге.

Из сказанного выше следует, что в зависимости от формы поперечного сечения можно различать следующие основные типы балок: двутавровые, швеллерные и коробчатые.

Швеллерные балки применяются для малонагруженных конструкций, работающих на изгиб, как например нервюр крыльев и оперений или лонжеронов оперений небольших самолетов или планеров.

Балки двутаврового сечения применяются более часто, так как вследствие симметрии они лучше швеллерных сопротивляются изгибу (при равной площади поперечного сечения).

Коробчатые балки применяются для сильно нагруженных конструкций, таких как усиленные нервюры, лонжероны оперения и хвостовые балки бесфюзеляжных самолетов. Кроме того, обладая по сравнению со швеллерными и двутавровыми балками большей жесткостью при кручении, коробчатые балки могут применяться в конструкциях, работающих на кручение.

Однако следует иметь ввиду, что коробчатые клепанные металлические балки неудобны для производства. Для их сборки и для присоединения к ним других элементов конструкции (например стенок нервюр) необходимо предусматривать в стенках балки технологические отверстия для доступа к местам клепки. Сборка деревянных или пластмассовых коробчатых балок значительно проще металлических, так как соединение стенок с поясами и с внутренними стойками может быть осуществлено при помощи клея.

Устойчивость токих стенок

В современных конструкциях самолетов широко применяются тонкостенные балки, у которых основная масса материала находится на максимальном удалении от нейтральной оси. Из тонких листов изготовляют также косынки, нервюры, перегородки. ПРименение тонких стенок вынуждает конструктора уделять необходимое внимание повышению их устойчивости при сдвиге и при сжатии. Для этой цели применяются следующие конструктивные и технологические меры:

Отбортовка



Штамповка отбортованных отверстий и повышение жесткости штампованной выдавкой без образования отверстия. ДЛя этой же цели служит рифтовка, представляющая собой волнообразное (однократное) искривление плоской стенки.



Подобно подкрепляющему профилю, рифтовка увеличивает жесткость стенки в направлении образующейся волны, однако она слабее профиля, хотя и проще технологически. Рифтовка применяется в конструкциях стенок легких лонжеронов, нервюр, балок, сидений, косынок и т п.

Гофрирование, придающее стенке волнообразную форму.



Такой гофр хорошо работает на сжатие или растяжение силой P вдоль образующей гофра и на изгиб моментом M, но не может работать на сжатие силой P' (или растяжение), направленной нормально к образующей гофра и на изгиб моментом M'. Гофр применяется для подкрепления стенок лонжеронов и гладкой обшивки крыла, оперения, фюзеляжа, полов самолетов.

Присоединение к тонкой стенке профилей, повышающих прочность и устойчивость как в плоскости стенки, так и в направлении, нормальном к ее поверхности. На следующей схеме показана окантовка выреза в обшивке профилями.



Такая окантовка компенсирует ослабление, вызванное наличием выреза. Так как толщина стенки профиля может быть больше, чем толщина листа, то прочность и жесткость в этом случае могут быть значительно выше, чем в случае отбортовки.

На следующей схеме показано подкрепление насущей обшивки крыла, фюзеляжа или оперения приклепанными профилями.



В этом случае профили повышают критические напряжения сдвига и сжатия обшивки и сами вместе с обшивкой участвуют в восприятии нагрузки.

При изгибе тонкостенных балок их стенки вначале работают на сдвиг без потери устойчивости, затем с ростом нагрузки происходит потеря устойчивости при сдвиге и как показывает опыт, образуются диагональные волны, свидетельствующие о возникновении поля диагональных напряжений в стенке. Гребни волн направлены к продольной оси балки под углом, близким к 45 градусов. У тонкой стенки волны возникают до появления в ней напряжения, соответствующего пределу упругости и исчезают после снятия нагрузки не вызывая остаточных деформаций. Поэтому возникновение таких волн не представляет опасности для конструкции тонкостенной балки.



Источник: А.Л.Гиммельфарб "Основы конструирования в самолетостроении"