Конструктивно-силовые схемы фюзеляжей

Фюзеляжи первых самолетов, начиная с самолета братьев Райт, имели ферменную конструктивно-силовую схему. Ферма является стержневой системой, все элементы которой работают только на осевые нагрузки (растяжение, сжатие).

С возрастанием скорости самолетов ферменный фюзеляж с его многочисленными элементами создавал большое аэродинамическое сопротивление. Для придания фюзеляжу обтекаемой формы ферму закрывали снаружи обшивкой, что увеличивало массу конструкции. Кроме того, элементы фермы загромождали внутреннее пространство фюзеляжа и затрудняли размещение в нем полезной нагрузки.

Наличие наружной обтекаемой оболочки с передачей ей несущих функций позволило отказаться от расположенной внутри фермы. Так появились балочные, оболочечные фюзеляжи. Следует отметить, что ферменные фюзеляжи или чаще отдельные части фюзеляжей, имеющие ферменную конструкцию, сохранены до сих пор для легких, спортивных, нескоростных самолетов.

Фюзеляжи современных самолетов в подавляющем большинстве имеют балочную конструктивно-силовую схему. Состав конструкции балочного фюзеляжа представлен на рис. 2.7.16. Конструкция фюзеляжа подразделяется на основную конструкцию, участвующую в восприятии и передаче по длине фюзеляжа основных нагрузок, и на дополнительные устройства и вспомогательные элементы.

Рис. 2.7.16. Состав конструкции балочного фюзеляжа

Основная конструкция включает продольный и поперечный набор, что является отличительной особенностью балочных фюзеляжей.

Продольный набор. Формально продольный набор включает элементы, расположенные вдоль длины фюзеляжа, но гораздо важнее их функциональное отличие, состоящее в том, что продольный набор включает элементы конструкции, участвующие в восприятии изгибающего момента М. Состав продольного набора определяет способ восприятия изгибающего момента.

Балочные фюзеляжи подразделяют на три конструктивно-силовые схемы по способу восприятия изгибающего момента, т.е. по составу продольного набора, которыми являются: лонжеронная, стрингерная и обшивочная (рис. 2.7.17).

Рис. 2.7.17. Конструктивно-силовые схемы балочного фюзеляжа

Лонжеронная конструктивно-силовая схема отличается тем, что изгибающий момент воспринимается продольными силовыми элементами (профилями различного сечения) — лонжеронами в виде пары сил. Входящие в продольный набор слабые стрингеры и обшивка в восприятии изгиба или совсем не участвуют, или участвуют очень слабо.

Лонжероны при изгибе фюзеляжа работают на осевые нагрузки (растяжение, сжатие от пары сил). Плечи пар сил h определяются расстоянием между лонжеронами (перпендикулярно оси, вокруг которой действует изгибающий момент).

Можно отметить несовершенство терминологии, так как лонжерон фюзеляжа, работающий на осевые нагрузки, соответствует не лонжерону крыла, работающему на изгиб, а только его полкам, нагруженным парой сил от изгиба. Роль стенки лонжерона крыла в фюзеляже выполняют боковые панели, состоящие из обшивки со стрингерами и соединяющие между собой пары лонжеронов (соответствующие паре сил).

Стрингерная конструктивно-силовая схема отличается восприятием изгибающего момента растяжением и сжатием силовых панелей, состоящих из стрингеров и обшивки. Наибольшие напряжения растяжения или сжатия возникают в стрингерах с присоединенной обшивкой, наиболее удаленных от нейтральной оси сечения фюзеляжа.

Встречается и смешанная лонжеронно- стрингерная схема, в которой продольный набор состоит из лонжеронов и стрингеров с обшивкой, участвующих в восприятии растяжения и сжатия, возникающих от действия изгибающего момента фюзеляжа.

Обшивочная конструктивно-силовая схема состоит из одной обшивки, одна часть сечения которой работает на растяжение, а другая — на сжатие от общего изгиба фюзеляжа. Поскольку тонкая обшивка обладает низкой устойчивостью при работе на сжатие или сдвиг, для ее подкрепления может быть применено очень частое расположение поперечных элементов — шпангоутов.

Но более распространено использование многослойных панелей: двухслойной, например обшивки, подкрепленной гофром, или трехслойной, состоящей из двух листов обшивки с заполнителем между ними в виде сот, гофра или пенопласта. Такие панели имеют высокую устойчивость на сжатие и сдвиг.

Выбор той или иной конструктивно-силовой схемы зависит от нагруженности конструкции фюзеляжа, размеров и типа самолета, от компоновки конкретного отсека. Поэтому часто один фюзеляж по своей длине имеет разные конструктивно-силовые схемы. Слабо нагруженные изгибом носовые и хвостовые часта фюзеляжа часто имеют обшивочную схему.

Лонжеронные фюзеляжи позволяют с малым утяжелением конструкции делать вырезы, лючки между лонжеронами, что характерно для многих самолетов-истребителей. Пассажирские самолеты, имеющие фюзеляжи большого диаметра и ограниченное количество вырезов, характеризуются преимущественным применением стрингерной конструктивно-силовой схемы.

Обшивочные и стрингерные схемы обладают более высокой живучестью, так как пробоина в обшивке или стрингерной панели компенсируется прочностью окружающего материала, в то время как разрушение лонжерона может привести к потере прочности всего сечения фюзеляжа.

Иногда встречаются устаревшие названия схем, такие как “монокок” и “полумонокок”. Схема монокок соответствует видам конструкции фюзеляжей, в которых обшивка полностью работает на сжатие и сдвиг или равнопрочна с продольными и поперечными элементами каркаса, т.е. включает обшивочную и частично стрингерную схемы.

Схема полумонокок имеет мощные продольные элементы (лонжероны, стрингеры) в сочетании с относительно слабой обшивкой, неравнопрочной с ними, раньше их теряющей устойчивость при работе на сжатие. Схема полумонокок включает лонжеронную, лонжеронно-стрингерную и частично стрингерную конструктивно-силовые схемы.

Поскольку вид конструктивно-силовой схемы определяется различием в восприятии изгибающего момента, то остальные виды нагрузок (поперечная сила Q и крутящий момент М_кр) воспринимаются каждой схемой одинаково. Поперечная сила воспринимается сдвигом боковых (по отношению к направлению силы Q) панелей фюзеляжа. Если поперечная сила Q действует вертикально, то это боковые (правая и левая) панели фюзеляжа; если Q действует горизонтально, то это верхняя и нижняя панели. Панели могут быть стрингерными или включать одну обшивку в обшивочном фюзеляже.

Как известно, наиболее рациональным видом конструкции, передающей крутящий момент, является замкнутый контур. Поэтому фюзеляж любой конструктивно-силовой схемы воспринимает и передает крутящий момент обшивкой, образующей замкнутый контур. Работая на сдвиг от кручения, обшивка подкрепляется продольным и поперечным набором.

Поперечный набор. В конструкции фюзеляжа поперечный набор образован шпангоутами (см. рис. 2.7.17). Шпангоуты подразделяются на силовые и несиловые. Силовые шпангоуты воспринимают сосредоточеные нагрузки от других частей самолета и от грузов внутри фюзеляжа.

Несиловые шпангоуты (иногда их называют “нормальными”, “типовыми”, “рядовыми”) обеспечивают заданную форму сечения фюзеляжа, поддерживают элементы продольного набора (обшивку, стрингеры, лонжероны) при их работе на сжатие и сдвиг.

Поддерживая сжатые продольные элементы, несиловые шпангоуты предотвращают потерю устойчивости оболочки фюзеляжа при его изгибе. Различают две формы потери устойчивости. Общая потеря устойчивости фюзеляжа при изгибе характеризуется значительным искажением формы его сечения — формы шпангоута (рис. 2.7.18, а).

При местной потере устойчивости фюзеляжа теряют устойчивость сжатые элементы продольного набора, расположенные между шпангоутами, например панели (стрингеры и обшивка), а форма шпангоутов не искажается (рис. 2.7.18, 6).

Рис. 2.7.18. Общая и местная формы потерн устойчивости фюзеляжа при его изгибе: а — общая неустойчивость фюзеляжа; 6 — местная неустойчивость фюзеляжа

Шпангоуты должны обладать такой жесткостью, чтобы не искажать форму, не терять устойчивости, т.е. не допускать общей потери устойчивости фюзеляжа. Однако, завышение запаса прочности несиловых шпангоутов нежелательно, ввиду их перетяжеления. Аналогично продольные элементы должны быть устойчивыми и не допускать местной потери устойчивости всего фюзеляжа.

Между жесткостью продольного и поперечного набора нагруженного изгибом фюзеляжа существует оптимальная взаимосвязь из условия минимизации его массы. Критерием оптимальности служит равноустойчивость, т. е. одновременность обеих форм потери устойчивости. На основании экспериментальных исследований Н. Д. Хофф предложил критерий, который служит показателем формы неустойчивости фюзеляжа:

где (EI)_стр, (ЕI)_ШП — жесткость соответственно стрингера и шпангоута на изгиб в радиальном направлении с учетом приведенной обшивки; L — расстояние между шпангоутами; b_стр — расстояние между стрингерами; D — диаметр фюзеляжа.

При ^ = 50 достигается равенство критических нагрузок обеих форм потери устойчивости фюзеляжа, при ^ <50 имеет место местная, а при ^ >50 — общая неустойчивость конструкции фюзеляжа.

Обеспечение требования равноустойчивости конструкции как условия достижения минимальной массы приводит к выбору соответствующего значения критерия Хоффа ^ = 50 . Тогда потребная жесткость шпангоутов может быть определена в зависимости от жесткости стрингерной панели (определяемой из расчета на прочность продольного набора фюзеляжа):

При одинаковом материале продольного и поперечного набора их модули упругости Е в формуле (2.7.4) сокращаются, и она определяет момент инерции сечения шпангоута I_щп. Необходимо учитывать, что у большинства самолетов сечения несиловых шпангоутов одинаковые для большей части или всего фюзеляжа. В этом случае наибольшие их жесткости определяются максимальными жесткостями стрингеров, соответствующими корневым сечениям фюзеляжа. Шпангоуты и панели продольного набора фюзеляжа могут быть непосредственно рассчитаны на устойчивость при сжатии, как показано в [67].

Несиловые шпангоуты часто выполняют штампованными из листа с образованием поясов и стенки, что обеспечивает их работу на изгиб и сдвиг. По контуру обод шпангоута, как правило, разделен на части, стыкуемые между собой с помощью накладок (рис. 2.7.19), что облегчает технологию изготовления и сборки.

Высота сечения несиловых шпангоутов обычно превышает высоту стрингерного набора, поэтому стрингеры, как правило, “перерезают” шпангоуты, проходя через просечки в них (рис. 2.7.19,в). Чтобы не ослаблять шпангоут, стрингеры иногда пропускают под ним, а с обшивкой соединяют с помощью компенсаторов (рис. 2.7.19,6).

Рис. 2.7.19. Несиловые шпангоуты: а — шпангоут с просечками для прохода стрингеров; б — шпангоут с компенсаторами; 1 — шпангоут; 2 — накладка; 3 — компенсатор

В отличие от несиловых силовые шпангоуты сами часто “перерезают” стрингерный набор, вызывая необходимость его перестыковки для передачи нагрузок.

Силовые шпангоуты выполняют все функции несиловых шпангоутов и воспринимают сосредоточенную нагрузку. Чтобы нагрузка была воспринята шпангоутом, она должна действовать в его плоскости. Если сосредоточенная нагрузка Р направлена под углом к плоскости шпангоута, то она должна быть воспринята силовым узлом, который разложит нагрузку на составляющие: Р_шп, действующую в плоскости шпангоута и воспринимаемую им, и Р_стр, действующую перпендикулярно или под углом к ней, воспринимаемую усиленными элементами продольного набора — лонжероном или усиленным стрингером (рис. 2.7.20,а).

В отдельных случаях, чтобы избежать усиления продольных элементов и усложнения стыкового узла, передающего сосредоточенную нагрузку, действующую наклонно к плоскости шпангоута, плоскость шпангоута наклоняют для полного восприятия этой нагрузки. Такие “косые” шпангоуты (аналогичные “косым” нервюрам в стреловидном крыле) можно встретить, например, в хвостовой части фюзеляжа в месте стыка с лонжероном стреловидного киля (рис. 2.7.20,6).

Рис. 2.7.20. Силовые шпангоуты: а — шпангоут, воспринимающий составляющую нагрузки, действующую в его плоскости, другая составляющая воспринимается усиленным стрингером; б — “косой” шпангоут, наклоненный в плоскость действия нагрузки (Р = 1%,)

Разнообразие нагрузок и конструктивно-компоновочных особенностей определяет многообразие конструкций силовых шпангоутов. На рис. 2.7.21 стыковой узел силового шпангоута передает сосредоточенную нагрузку Р (или ее составляющую в плоскости шпангоута) на элементы шпангоута, например стойку, которая преобразует сосредоточенную нагрузку в распределенную — поток удельных касательных сил q_ст, нагружающих сдвигом стенку шпангоута. В свою очередь, стенка нагружает пояса шпангоута, которые передают удельную касательную нагрузку на боковые (по отношению к действующей силе Р) панели фюзеляжа.

Рис. 2.7.21. Восприятие и передача нагрузки силовым шпангоутом

Более подробно о конструкции вспомогательных устройств и дополнительных элементов фюзеляжа, об усилении конструкции в зонах вырезов и люков, о стыковке фюзеляжа с другими частями самолета, о конструкционных материалах изложено в работах.