close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

8543.Конструирование узлов летательных аппаратов

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
А.Д. Припадчев
КОНСТРУИРОВАНИЕ УЗЛОВ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Рекомендовано
Ученым
советом
федерального
государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Оренбургский государственный университет» в качестве
учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего
профессионального образования по направлению подготовки 160400.62
Ракетные комплексы и космонавтика
Оренбург
2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 629.735(075.8)
ББК 39.52я73
П76
Рецензент — профессор, доктор технических наук Н.З. Султанов
Припадчев, А.Д.
Конструирование узлов летательных аппаратов : учебное пособие /
А. Д. Припадчев; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург : ОГУ, 2013. –
144 с.
ISBN
П76
В учебном пособии приведены инженерные методы
конструирования элементов конструкции ЛА. Представлены типовые
конструкторские задачи.
Учебное пособие предназначено для студентов направления
подготовки 160400.62 Ракетные комплексы и космонавтика.
УДК 629.735(075.8)
ББК 39.52я73
© Припадчев А.Д. 2013
© ОГУ, 2013
ISBN
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Введение……………………………………………………………………...
4
Обозначения и сокращения…………………………………………………
6
1 Методологические основы конструирования летательных аппаратов...
9
1.1 Общие понятия о конструировании летательных аппаратов…………
9
1.2 Требования, предъявляемые к конструкции летательного аппарата...
13
1.3 Выбор материала конструкции летательного аппарата……………….
17
2 Оболочки корпуса…………………………………………………………
30
3 Усиленные шпангоуты корпуса…………………………………………..
35
4 Лонжероны крыла…………………………………………………………
52
5 Неразъемные соединении…………………………………………………
64
5.1 Заклепочные соединения силовых элементов оболочек……………...
64
5.2 Соединение с помощью контактной сварки…………………………...
80
6 Разъемные соединения…………………………………………………….
83
6.1 Соединения силовых элементов оболочки корпуса…………………..
83
6.2 Соединение консолей крыла с корпусом………………………………
92
6.2.1 Ушковый
моментный
узел
с
наружными
крыльевыми
проушинами………………………………………………………………….
92
6.2.2 Фланцевый моментный узел………………………………………….
101
7 Узлы кинематической цепи механизмов управления…………………..
107
Заключение…………………………………………………………………..
131
Глоссарий…………………………………………………………………….
132
Список использованных источников………………………………………. 136
Приложение
А
Характеристики
используемых
материалов
при
конструировании…………………………………………………………….
3
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение
Разработка любого летательного аппарата (ЛА) состоит из нескольких
этапов,
которые
определяют
направление
и
содержание
научно–
исследовательской и конструкторско–технологической работы, а также
работ, связанных с проведением испытаний ЛА и внедрением их в
эксплуатацию. Предварительная разработка ЛА независимо от ее назначения
представляет совокупность взаимосвязанных методических этапов, таких
как:
анализа
эффективности
ЛА,
его
общего
проектирования
и
конструирования.
На этапе общего конструирования определяются принципиальные
конструктивные решения, дающие общие представления об устройстве ЛА и
ее составных частей, о геометрических характеристиках агрегатов и отсеков,
о способах их сочленения, о конструктивных мерах, обеспечивающих
требуемые характеристики устойчивости и управляемости ЛА, а также
удовлетворяющих основным требованиям производства, испытаний и
эксплуатации ЛА.
Подготовка
специалистов
в
области
конструирования
и
проектирования, одно из наиболее трудных направлений в инженерном
образовании. Это связано с тем, что в области создания ЛА быстро
развиваются новые тенденции и направления, пришедшие на смену
традиционным подходам к методам проектирования и производства, которые
в настоящее время оказались во многом исчерпанными и начали тормозить
дальнейшее повышение технического уровня авиационно–космической
техники.
Новые
возможности
открываются
на
основе
более
глубокого
использования результатов научно–технического прогресса и внедрения в
инженерную практику систем автоматизированного проектирования и
конструирования.
Конструирование
4
это
заключительный
этап
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
проектирования, включающий в себя конструктивно–технологическую
проработку конструктивной схемы, выбранной на предыдущем этапе и
выпуск
рабочих
чертежей.
Задачи
конструктивно–технологического
решения узла в учебном пособии изложены с позиций требований и
возможностей применения графических редакторов. Особое внимание
уделяется организации диалога конструктор — ЭВМ.
В соответствии с рабочей программой по курсу «Конструкция узлов и
агрегатов летательных аппаратов» в
учебном пособии представлены
варианты нескольких типовых элементов конструктивно–технологического
решения узла. После того как выбрана силовая схема узла, проведено
восстановление прочности в зонах всех местных вырезов и определен
вариант конструктивно–технологического решения узла, узел разделяется на
конкретные детали. Близкие по стоимости множества конструктивно–
технологических решений одного и того же узла или детали объединяются
понятием облика конструктивно–технологического решения. Комплексным
признаком,
процесса
которого
и
является
конструкционные
совокупность
материалы.
типов
Основные
технологического
характеристики
композиционных материалов и технологических процессов представлены в
приложении и в справочной литературе.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обозначения и сокращения
АСК — автоматизированная система конструирования;
КМ — конструкционные материалы;
КТП — конструктивно–технологическая проработка;
КТР — конструктивно–технологическое решение;
КСС — конструктивно–силовая схема;
ЛА — летательный аппарат;
СЭ — силовой элемент;
ТП — технологический процесс;
ТТЗ — тактико–техническое задание;
ТЗ — техническое задание;
ТТТ — тактико–технические требования;
ЭБК — элементная база конструирования;
А — константа; обозначение звеньев размерной цепи;
а — характерный размер конструктивного элемента, м;
В — обозначение звеньев размерной цепи;
b — характерный размер конструктивного элемента;
с — толщина крыла, м;
ср — теплоемкость при постоянном давлении, кг  К;
сх — коэффициент лобового соединения;
D, d — диаметр, м;
Е — модуль Юнга, МПа;
F — площадь поперечного сечения конструктивного элемента, м2;
G — модуль сдвига, МПа;
g — ускорение свободного падения, м/с2;
Н — высота полета; местная высота лонжерона, м;
Нстр — строительная высота лонжерона, м;
h — строительная высота конструктивного элемента, м;
J — момент инерции сечения, м4;
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Jр — полярный момент инерции, м4;
k — коэффициент;
L — расчетная длина конструктивного элемента, м;
l — длина конструктивного элемента, м;
М — число Маха; момент силы, Н  м;
m — масса, кг;
N — осевая сила, Н  м;
п — перегрузка;
Р – сила; тяга двигателя, Н;
р — давление, Па;
Q — сила, Н;
q — скоростной
напор
(скоростное
давление),
кг/(м  с2);
поток
распределенных сил, Н/м;
R — реакция силы, Н;
S — статический момент, м3;
Sк — площадь консоли крыла, м2;
F — площадь поперечного сечения оболочки, мм2
T — сила, Н; допуск звена в размерной цепи, мкм; абсолютная
температура, К;
t — время полета, с; характерный размер сечения, м; температура, 0С;
шаг точечного шва, мм;
W — момент сопротивления сечению изгиба, м3;
w — прогиб оболочки или балки, мм;
X — сила лобового сопротивления, Н;
x — координата вдоль оси ОХ, м;
Ya — подъемная сила, Н;
y – координата вдоль оси ОY, м;
 — толщина элемента, м;
 — коэффициент Пуассона;
 — плотность, кг/ м ;
3
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 — нормальное напряжение, МПа;
 В — предел прочности конструкционного материала на разрыв, МПа;
 — касательное напряжение, МПа;
 В — предел прочности конструкционного материала на сдвиг, МПа;
 — угол закрутки.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 Методологические
основы
конструирования
летательных аппаратов
1.1 Общие понятия о конструировании летательных аппаратов
Конструкция
характеризующихся
это
совокупность
определенным
взаимосвязанных
комплексом
свойств,
элементов,
таких,
как
структура (состав), характер связей между элементами, способы образования
и свойства (геометрические размеры, материал) элементов [14].
Поиск наилучшего конструктивного решения — это выбор такой
конструкции,
которая
обеспечивает
решение
поставленной
задачи
(выполнение функционального назначения) в некоторых конкретных
условиях при минимальных расходах ресурсов (материальных, стоимостных,
энергетических) с учетом ограничений производственного, технологического
и эксплуатационного характера.
Силовой основой ЛА является корпус, который объединяет в единое
целое отсеки и агрегаты, входящие в его состав и различающиеся по
функциональному (кормовой, топливный отсек и т.д.) и конструктивно–
технологическому признакам. В общем случае на корпус действуют
статические и динамические, сосредоточенные и распределенные нагрузки,
определяемые параметрами двигательной установки, аэродинамической
схемой ЛА и условиями полета. Нагрузки, действующие на отдельно взятый
отсек или агрегат и влияющие на выбор конструктивного решения, зависят
не только от схемы нагружения корпуса в целом, но и от характера связей
отсеков между собой.
Поиск конструктивного решения для каждого узла (панели, секции,
отсека) выполняется при задании компоновочно–силовой схемы ЛА, носит
итерационный характер и имеет конечной целью обеспечение минимальной
массы конструкции корпуса в целом, рисунок 1.1.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.1 — Схема поиска конструктивного решения
Исходными данными, которыми располагает конструктор, приступая к
разработке конструкций отсека (узла, панели, секции), являются:
- компоновочная схема ЛА;
- основные расчетные случаи (значения эксплуатационных нагрузок,
коэффициентов безопасности);
- располагаемые конструкционные материалы (их свойства);
- особенности
конструктивного
исполнения,
обусловленные
эксплуатацией отсека (размеры и места расположения лючков, места
установки аэродинамических устройств и приборов, ограничения по
строительной
высоте
силового
набора
или
суммарной
толщине
теплоизоляции и т.д.);
- производственные ограничения (или рекомендации) по используемым
полуфабрикатам и заготовкам (толщины листов, сортамент профилей и т.д.);
- технологические условия, определяющие качество изготовления.
При разработке конструкции отсека или отдельного узла ЛА
необходимо в первую очередь обеспечивать работоспособность каждого
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
элемента. Условия работоспособности зависят от используемых критериев
при оценке прочности и жесткости конструкции.
В
ракетно–космической
технике
принят
метод
расчета
по
разрушающим (предельным) нагрузкам. Это означает, что параметры
элементов конструкции выбирают таким образом, чтобы она разрушалась
при некоторой нормированной нагрузке — расчетной нагрузке, NP, Н,
вычисляют по формуле
NР  f  NЭ,
(1.1)
где f — коэффициент безопасности, равен от 1,3 до 1,6;
NЭ — эксплуатационная нагрузка.
Проектирование конструкции базируется на расчетах на прочность, т.е.
основные геометрические размеры и соотношения выбираются из условий
прочности или жесткости, рисунок 1.2 [8]. Однако прежде чем такие
соотношения записать, конструкция (отсек, отдельный его элемент) должна
быть
некоторым
образом
схематизирована.
Для
этого
необходимо
определить основные силовые элементы и их функциональное назначение.
После чего необходимо формализовать взаимосвязи силовых элементов и
граничные условия (заделку) этих элементов. Характер заделки (защемление,
шарнир) играет большую роль при расчете элементов на сжатие, влияя как на
распространение нагрузок по длине элемента, так и его устойчивость.
Отмеченные положения определяют так называемую расчетную схему
конструкции. Эта схема может быть сложнее или проще, но в любом случае
от обоснованности допущений и предположений зависят точность расчетов и
достоверность представлений о поведении конструкции в реальных
условиях. Выбор расчетной схемы определяется многими факторами. Это
требования по массе и габаритным размерам, значимость проектируемой
конструкции и т.д.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 1.2 — Схема процесса проектирования конструкций ЛА
Обеспечение прочности конструкции является необходимым условием
ее работоспособности, но недостаточным. Под действием внешних нагрузок
конструкция деформируется (удлиняется, изгибается, закручивается и т.д.), и
эти деформации играют большую роль при расчете движения ЛА
относительно центра масс и при отделении отработавших блоков, при
расчете динамических нагрузок, оценке эффективности исполнительных
органов системы управления и т.д.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Жесткость связей отсеков между собой определяется конструктивным
исполнением соединений отдельных отсеков в единую конструкцию. При
использовании в соединении плоских стыков жесткость соединения зависит
от параметров крепежных элементов, устанавливаемых в плоскости стыка.
1.2 Требования, предъявляемые к конструкции летательного
аппарата
Наиболее полный и комплексный учет требований — основная
трудность
проектирования
надежного
конструктивного
и
одновременно
решения.
предпосылка
Требования,
получения
предъявляемые
к
конструкции ЛА, диктуются соображениями аэродинамики, прочности,
жесткости, минимальной массы, эксплуатации, производства [9, 13].
Аэродинамические требования. Синтез ЛА тесно связан с анализом
аэродинамических свойств проектируемой конструкции. Высокие тактико–
технические данные ЛА во многом обусловлены удачным выбором
аэродинамической схемы. Принципиально не существует наилучшей,
единственной в своем роде, аэродинамической схемы, т.к. кажущиеся ее
аэродинамические преимущества могут быть частично или полностью
отвергнуты конструктивными или эксплуатационными требованиями. При
выборе аэродинамической схемы обычно используют разнообразные методы
приближенного
аэродинамического
расчета,
либо
корректируют
аэродинамические данные прототипа. Совершенство ЛА, оцениваемое по
определенной
совокупности
показателей
эффективности,
во
многом
определяется выбором аэродинамической схемы. Это относится главным
образом к крылатым ЛА. Крылатые ЛА, использующие аэродинамический
принцип создания управляющей силы, принято классифицировать по
расположению органов управления. Сравнительный анализ показывает, что
на
выбор
целесообразной
аэродинамической
схемы
влияют
аэродинамические характеристики ЛА, его динамические свойства и
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
возможность рациональной компоновки агрегатов в корпусе ЛА. Выбор
аэродинамической схемы обусловлен требованиями компоновки:
- типом двигательной установки и условиями ее работы;
- структурой бортового оборудования;
- габаритами отдельных агрегатов и т.д.
Проанализировав особенности различных аэродинамических схем, в
каждом отдельном случае нужно выбрать такую схему, которая в
достаточной мере удовлетворяет требуемым условиям и может быть
скомпонована в единое целое из нескольких частей ЛА, соответствующих ее
назначению. Задача сводится к обоснованию параметров аэродинамической
компоновки ЛА по выбранному показателю совершенства принятой
аэродинамической схемы. Аэродинамическая компоновка должна обеспечить
заданные
тактические
управляемость.
свойства
ЛА,
Аэродинамические
необходимую
характеристики
устойчивость
ЛА
и
являются
многопараметрическими функциями конструктивных параметров ее частей,
образующих аэродинамическую форму ЛА, и условий полета. Поэтому
оценка совершенства аэродинамической компоновки должна производиться
по
критерию,
который
наилучшим
образом
отражал
бы
влияние
аэродинамической схемы на энергетические характеристики ЛА [4].
Требования прочности. При всех возможных в полете нагрузках ни
один из элементов конструкции не должен разрушиться. Величины нагрузок,
характер их распределения для отдельных частей ЛА на различных режимах
полета
регламентируются
нормами
прочности.
При
этом
должны
учитываться и знакопеременность нагрузок, приводящая к явлениям
усталости, и аэродинамический нагрев при полете на больших сверхзвуковых
скоростях.
Требования жесткости. Жесткость конструкции должна исключить
возможность появления недопустимых с точки зрения аэродинамики
деформаций и возникновение опасных вибраций, приводящих к разрушению
конструкции.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Требования минимальной массы. Конструкция ЛА в целом, отдельных
его частей, элементов и деталей должна иметь, возможно, меньшую массу,
т.к. это влияет
данные.
на основные функциональные характеристики — летные
Минимальная
масса
конструкции
может
быть
обеспечена
рациональным выбором компоновочной и конструктивно–силовой схем. При
выборе схемы передачи нагрузок необходимо, чтобы передача нагрузок
происходила по наикратчайшему пути с вовлечением в работу наименьшего
числа силовых элементов. При передаче нагрузок не должны возникать
дополнительные силы и моменты.
Минимум массы конструкции обеспечивается выбором материалов для
каждого элемента в зависимости от схем нагружения и характера
напряженного состояния элемента конструкции, а также эффективным
использованием материала в сечении элемента. Если конструктивный
элемент работает на растяжение, то напряжение в сечении распределено
равномерно и форма сечения выбирается из соображения технологичности.
Уменьшение
массы
конструкции
достигается
обеспечением
равнопрочности, сокращением количества разъемов, вырезов, несиловых
элементов, применением новых конструкционных материалов. При выборе
конструктивно–силовой
схемы
узла,
элемента,
агрегата
необходимо
стремиться, чтобы разрушающие напряжения были возможно ближе к
временному сопротивлению материала.
Эксплуатационные
требования.
Эксплуатация — техническое
обслуживание ЛА, включающее комплекс профилактических мероприятий,
хранение, подготовка к боевому применению и производство пуска. Весь
комплекс ремонтно–регламентных работ ЛА в процессе эксплуатации связан
в основном с ее хранением и транспортировкой. Конструкция ЛА должна
обеспечивать простоту и удобство производства ремонта в складских и
полевых условиях. Ремонтные требования сводятся к обеспечению замены
основных частей ЛА в зависимости от вида возможных неисправностей.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Процесс
эксплуатации
связан
с
комплексом
мероприятий,
направленных на обеспечение надежности и коэффициента боеготовности
ЛА на расчетном уровне в течении установленного срока.
С этой целью в процессе эксплуатации ЛА устанавливается порядок
контрольно–поверочных и регламентных работ, а также принимаются меры к
соблюдению условий хранения и транспортировки.
Экологические требования. Они отражаются во влиянии ЛА на
окружающую среду. Защита окружающей среды в настоящее время
становится межгосударственной проблемой, обостряющейся с развитием
техники. Новые виды энергетики, использование космического пространства
становятся
предметом
международных
соглашений
и
ограничений.
Экологические показатели особенно важны для пилотируемых ЛА.
Требования надежности. Надежность конструкции — это свойство
конструкции выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения
установленных
эксплуатационных
соответствующих
заданным
показателей
режимам
и
в
заданных
условиям
пределах,
использования,
технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки.
Должна быть обеспечена надежность работы всех агрегатов ЛА при
возможно более простом их обслуживании. Простота обслуживания ЛА
обеспечивается хорошим доступом ко всем требующим осмотра узлам,
агрегатов оборудования и силовой установки, удобством и быстротой
монтажа и демонтажа отдельных агрегатов, простотой ремонта и т.д. в
процессе проведения регламентных работ.
Высокая надежность обеспечивается:
- конструктивно–силовой схемой отсека, выбором компоновочной
схемы ЛА в целом;
- выбором коэффициентов безопасности;
- экспериментальной (стендовой и летной) обработкой.
Производственные
требования.
Современное
производство
ЛА
характеризуется потребностью производить продукцию в достаточно
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
большом количестве, в короткий срок и с минимальными затратами труда.
Организация
производства
существенно
зависит
от
технологичности
сконструированного ЛА и установленного срока изготовления опытных
образцов. Технологические требования на ЛА должны отображать связь
между длительностью производственного цикла и временем рабочего
конструирования
при
установленном
сроке
ее
предъявления
на
предварительные испытания. Эта связь характеризуется минимальной
стоимостью отработки ЛА в процессе производства.
В
производстве
лучшей
считается
конструкция,
расходы
на
изготовление которой будут наименьшими. Основными требованиями
технологии,
выполнение
которых
удешевляет
и
ускоряет
процесс
производства ЛА, являются следующие:
1) взаимозаменяемость агрегатов и деталей и исключение пригоночных
работ при сборке;
2) простота конструкции и широкое применение в ней стандартных и
нормализованных деталей;
3) применение передовых методов производства;
4) увязка конструкции с характером производства;
5) широкое расчленение конструкции ЛА на агрегаты, секции и панели,
что позволяет механизировать ряд процессов, уменьшает трудоемкость
изготовления, повышает производительность, сокращает цикл сборки и
монтажа.
1.3 Выбор материала конструкции летательного аппарата
При выборе материала конструкции необходимо учитывать ряд
факторов:
- стоимость материала;
- возможность
применения
высокопроизводительных
обработки;
17
процессов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- однородность;
- неизменность механических свойств во всем возможном при
эксплуатации диапазоне температур;
- долговечность.
Наибольшее внимание при выборе материала должно уделяться
обеспечению необходимой прочности и жесткости конструкции при
наименьшей массе. Добиться этого возможно за счет правильного выбора
конструкционных материалов, которые различаются по своей способности
противостоять силовым воздействиям. Для разных силовых элементов
лучшими с точки зрения минимума массы оказываются разные материалы.
Наиболее простыми являются элементы, работающие только на
растягивающие нагрузки. Потребную массу элемента mпр, кг, из условия
прочности вычисляют по формуле
mnp  F  L    P  L    В  ,
(1.2)
где F — площадь поперечного сечения, мм2;
L — длина элемента, мм;
 — плотность материала, г/см ;
3
 В — предел прочности материала, МПа.
Из формулы (1.2) следует, что критерием массовой выгодности
материала при работе только на прочность служит соотношение  В   —
удельная прочность. Если же условием работоспособности является
непревышение деформации элемента l/L, то его вычисляют по формуле
l L  P / E  F  ,
где Е — модуль упругости первого рода, ГПа;
l — удлинение элемента;
18
(1.3)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Р — растягивающая сила, Н.
Потребная масса такого элемента
mж, кг, из условия жесткости
вычисляют по формуле


mж  F  L    L2 l  P   E  .
(1.4)
В данном случае критерием выгодности материала по жесткости
является соотношение Е   — удельная жесткость материала.
В
настоящее
время
в
аэрокосмической
технике
основными
конструкционными материалами являются высокопрочные магниевые и
алюминиевые сплавы, легированные стали и титановые сплавы, а также
широко внедряются композиционные материалы, таблица 1.1.
Таблица 1.1 — Характеристики удельной прочности и жесткости материалов
Материал
Магниевые сплавы:
- деформируемые
- литейные
Алюминиевые сплавы:
- деформируемые
- литейные
Титановые сплавы:
- деформируемые
- литейные
Легированные стали:
- качественные
- высококачественные
- жаропрочные
 , г/см3
 В , МПа
В 
Е, ГПа
Е 
1,76-1,83
1,76-1,93
200-300
160-330
115-165
88-170
42-43
42-45
23,5-24,8
22,2-25,6
2,76-2,89
2,55-2,89
380-560
200-340
138-194
76-122
70-77
70-72
23,3-27,7
25-27,4
4,43-4,68
4,41-4,49
600-1200
500-1000
136-256
113-213
110-120
100-118
23,6-27,0
22,3-26,5
7,85
7,77-7,9
7,9-7,92
1000-1200
1600-1900
550-1000
128-153
202-243
70-126
200
190-210
185-200
25,5
24,3-27,0
23,4-25,2
При выборе материала необходимо учитывать температурные условия,
в которых работает конструкция. С ростом температуры удельная прочность
и удельная жесткость материалов падают.
Зависимости изменения прочности наиболее применяемых сплавов в
аэрокосмической технике от температуры представлены на рисунках 1.3, 1.4.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 — Амц; 2 — Амг6; 3 — АК4–1; 4 — ВМЛ1; 5 — АЛ19; 6 — МЛ5.
Рисунок 1.3 — Изменение прочности алюминиевых и магниевых сплавов в
зависимости от температуры
1 — ОТ4–1; 2 — ВТ15; 3 — АТ8; 4 — 30ХГСА; 5 — 30ХГСНА; 6 — ЭИ643.
Рисунок 1.4 — Изменение прочности сталей, титана и его сплавов в
зависимости от температуры
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При
температурах
до
200 0С
основными
конструкционными
материалами являются высокопрочные алюминиевые сплавы. Из них
изготавливается обшивка, лонжероны, стрингеры, нервюры, шпангоуты,
различные кронштейны. Применение титановых сплавов в этом диапазоне
температур не является целесообразным из-за их относительно высокой
стоимости.
При температурах от 200 0С до 500 0С лучшими конструкционными
материалами являются титановые сплавы, а при температурах до 700 0С —
жаропрочные стали.
Применение композиционных материалов в конструкции позволяет
значительно снизить ее массу. Находят широкое применение волокна стекла,
углерода, бора и некоторых других материалов в соединении с так
называемой матрицей, в качестве которой используются искусственные
смолы, алюминий, магний, титан или их сплавы.
Армированные
пластики.
Большую
группу
композиционных
полимерных материалов составляют армированные пластики, в которых в
качестве полимерной матрицы применяются различные термореактивные и
термопластичные полимеры, а для арматуры используются волокнистые и
листовые материалы из стекла, полимеров, базальта, углерода и других
материалов. Армированные пластики широко применяются в авиационнокосмической технике. К достоинствам армированных пластиков относятся:
- высокая прочность при низкой плотности, что позволяет заменять
сталь в конструкциях машин и механизмов;
- устойчивость к воздействию агрессивных сред, что обеспечивает
изделиям из них длительные сроки эксплуатации без применения защитных
покрытий;
- низкая материалоемкость изготовленных из них изделий, что
позволяет снизить массу и расходы на эксплуатацию;
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- высокая
технологичность,
заключающаяся
в
возможности
изготовления крупногабаритных изделий сложной формы без дорогостоящей
технологической оснастки и оборудования;
- возможность
регулирования
в
широких
пределах
тепло-
и
электропроводности, радио- и светопрозрачности в зависимости от типа
применяемых армирующих волокон;
- возможность ремонта в «полевых» условиях без применения
специального оборудования;
- низкие капитальные затраты на организацию производства изделий из
армированных пластиков;
- работоспособность в широком диапазоне температур и напряжений.
Материалы с матрицей из искусственных смол носят названия
полимерных
композиционных
материалов.
Из
этих
материалов
в
конструкции ЛА нашли применение стекло-, угле- и боропластики.
Характеристики этих материалов (при растяжении в направлении волокон)
представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 — Характеристики композиционных материалов
Материал
Стеклопластики
Углепластики
Боропластики
 , г/см3
1,85-2,12
1,28-1,5
2
 В , МПа
В 
1200-1700
1000-1200
1400-1800
755-800
780-800
700-900
Стеклопластики — полимерные
армированные
стеклянными
Е, ГПа
45-70
160-180
200-270
композиционные
волокнами,
которые
Е 
28-35
107-123
100-135
материалы,
формуют
из
расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего
применяют
как
термореактивные
синтетические
смолы
(фенольные,
эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры
(полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают
достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими
электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для
радиоволн. Стеклопластики используются для изготовления антенных
обтекателей — куполообразных
конструкций,
22
в
которых
размещается
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество
волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы
нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем
назначение матрицы изменилось — она стала служить только для склеивания
прочных
волокон
между
собой,
содержание
волокон
во
многих
стеклопластиках достигает 80 % по массе. Слоистый материал, в котором в
качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон,
называется стеклотекстолитом [2, 3, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 15, 16, 17, 18].
Стеклопластики достаточно
дешевые
материалы.
Стеклопластики
целесообразно использовать для деталей конструкционного назначения,
работающих преимущественно на растяжение при температурах, от 100 0С до
150 0С. Из них можно изготавливать лонжероны, нервюры и обшивку и т.д.
Углепластики — полимерные
композиты,
наполнителем
служат
углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и
природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила,
нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна
проводится, как правило, в три этапа (окисление — 220 0С, карбонизация
1000 0С, графитизация до 3000 0С) и приводит к образованию волокон,
характеризующихся высоким содержанием углерода. В зависимости от
режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет
различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же
матрицы, что и для стеклопластиков, чаще всего — термореактивные и
термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по
сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более
высокий модуль упругости, углепластики очень легкие и, в то же время,
прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически
нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо
проводят электричество, имеют черный цвет, что несколько ограничивает
области
их
упругости,
применения.
Углепластики
превышающим
обладают
модуль
23
высоким
модулем
упругости
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
алюминиевых сплавов примерно в два раза. Из них изготавливают обшивку,
панели, подкрепляющие элементы силового набора ЛА. Такие конструкции
работают надежно в диапазоне температур до 200 0С, а некоторые
углепластики сохраняют высокие прочностные характеристики до 300 0С.
На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают
композиционные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие
композиционные
материалы
(углеуглепластики),
способные
долго
выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до
3000 0С.
Существует
материалов.
По
несколько
одному из
фенолформальдегидной
способов
них
смолой,
производства
углеродные
подвергая
волокна
затем
подобных
пропитывают
действию
высоких
температур (2000 0С), при этом происходит пиролиз органических веществ и
образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным,
операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного
материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких
температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся
при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность
такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в
полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы
ракетной техники, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и
многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.
Боропластики — композиционные материалы, содержащие в качестве
наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную
матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде
жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых
борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости
нитей,
получающийся
материал
обладает
высокими
механическими
свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по
сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к
агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков.
Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 у.е/кг) в
связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида
на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30 %
стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются
термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило,
невелики. Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью
производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в
авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным
нагрузкам в условиях агрессивной среды.
Модуль упругости боропластиков от 3 до 3,5 раза превышает модуль
упругости алюминиевых сплавов. Кроме того, боропластики имеют высокий
предел динамической и статической выносливости, малую ползучесть и
деформативность
в
электропроводность.
направлении
В
волокн,
сравнении
с
повышенную
углепластиками
они
тепло-
и
обладают
повышенной (от 2 до 2,5 раза) прочностью при сжатии. Боропластики
сохраняют высокие механические характеристики от 200 0С до 300 0С.
К недостаткам угле- и боропластиков относят сравнительно низкие
значения удельной вязкости и прочности при сдвиге.
Очень
высокие
механические
характеристики
имеют
и
композиционные материалы на основе металлов, армированных волокнами
углерода и бора. Так, композиционные материалы с алюминиевой матрицей
и бороволокном с плотностью  =2,6-2,7 г/см3 имеют предел прочности при
растяжении
 В =1100-1200 МПа
и
модуль
упругости
Е=220-240 ГПа.
Величина их удельной прочности  В  =410-450 более чем в два раза
превышает этот показатель для алюминиевых сплавов, а диапазон
температуры, при которой они сохраняют свои характеристики, повышается
до 450 0С. Кроме того, металлическая матрица в отличие от полимерной
хорошо воспринимает сдвигающие нагрузки.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Органопластики — композиты, в которых наполнителями служат
органические синтетические, реже природные и искусственные волокна в
виде
жгутов,
нитей,
тканей,
бумаги
и
т.д.
В
термореактивных
органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и
фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит от 40 % до 70 %
наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе
термопластичных полимеров полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п.
варьируется
в
значительно
больших
пределах
от
2%
до
70 %.
Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и
углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким
сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой
прочностью при сжатии и изгибе. Важную роль в улучшении механических
характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул
наполнителя.
Макромолекулы
полипарафенилтерефталамид
жесткоцепных
(кевлар)
в
полимеров,
основном
таких,
как
ориентированы
в
направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при
растяжении вдоль волокон.
Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок
наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения
стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств.
Текстолиты — слоистые
пластики,
армированные
тканями
из
различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в
1920-х
на
основе
фенолформальдегидной
смолы.
Полотна
ткани
пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре,
получая
текстолитовые
пластины.
Основные
принципы
получения
текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но
и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов.
Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и
термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические
связующие на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
используются
ткани
из
самых
разнообразных
волокон:
хлопковых,
синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д.
Композиционные
материалы
с
металлической
матрицей.
При
создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют
алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат или
высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном
металле частицы различной дисперсности. Свойства дисперсноупрочненных
металлических композитов изотропны, одинаковы во всех направлениях.
Добавление от 5 % до 10 % армирующих наполнителей (тугоплавких
оксидов,
нитридов,
боридов,
карбидов)
приводит
к
повышению
сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности
сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита
по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный
хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида
циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого
сплава
способны
к
длительной
работе
от
1000 0С
до
1200 0С. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя
порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой
металлургии.
Армирование
металлов
волокнами,
нитевидными
кристаллами,
проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость
металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора,
можно эксплуатировать при температурах от 450 0С до 500 0С, вместо от
250 0С до 300 0С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные
металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные
волокна из-за своей хрупкости не допускают пластическую деформацию
материала, что создает значительные технологические трудности при
изготовлении
изделий,
тогда
как
использование
более
пластичных
металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие
композиты
пропитыванием
пучков
27
волокон
расплавами
металлов,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим
спеканием и т.д.
Композиционные материалы на основе керамики. Армирование
керамических
материалов
волокнами,
а
также
металлическими
и
керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные
композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования
керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют
металлические волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно,
но зато повышается сопротивление тепловым ударам — материал меньше
растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность
материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического
расширения матрицы и наполнителя. Армирование керамики дисперсными
металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с
повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с
повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают
детали для газовых турбин, детали для ракетной и реактивной техники.
При выборе материала конструкции следует учитывать и изменение его
прочности при повторных нагрузках. Прочность всех материалов при
повторных нагрузках существенно снижается. Это снижение происходит в
разной степени для различных материалов, при этом оно будет тем больше,
чем больше число нагружений и чем большей будет концентрация
напряжений.
Повторяемость нагрузок и их величина зависят от назначения ЛА, его
летно–технических характеристик и условий эксплуатации. Прочность
конструкции при повторных нагрузках носит название усталостной
прочности. Под усталостным разрушением материала понимают его
разрушение в результате циклического воздействия напряжений.
С ростом скоростей полета увеличились динамические нагрузки
конструкции ЛА. увеличение высоты полета привело к росту избыточного
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
давления в герметических отсеках, что также вызывает циклическое
нагружение конструкции ЛА.
Предотвращение усталостных разрушений — одна из важнейших
проблем
в
ракетно–космической
технике.
Повышение
усталостной
прочности конструкции может быть достигнуто несколькими способами.
Наиболее эффективным способом является уменьшение действующих
напряжений в элементах конструкции. Но использование этого способа
приводит к значительному увеличению массы и применяется поэтому лишь
для отдельных наиболее ответственных деталей. Другими эффективными
способами
повышения
концентраторов
усталостной
напряжений,
прочности
ограничение
является
скорости
устранение
распространения
трещин, создание конструкции с несколькими путями передачи нагрузок,
правильный выбор материала конструкции.
Широкое распространение для повышения усталостной прочности
деталей получил метод упрочнения поверхностных слоев наклепом с
помощью дробеструйной обработки. Значительно повышают усталостную
прочность и защитные покрытия.
Детали, подверженные в процессе работы периодическому нагреву и
охлаждению, иногда разрушаются в результате термической усталости. На
термическую усталость влияют главным образом коррозия, концентрация
напряжений
и
структурные
изменения
материала
при
колебаниях
температуры. Одним из эффективных способов повышения стойкости к
термической усталости является защитное покрытие деталей.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 Оболочки корпуса
Оболочки, входящие в состав конструкции планера ЛА, в зависимости
от их места в силовой схеме и условий работы ЛА могут воспринимать
разные виды нагрузок в любом их сочетании. Наиболее технологичными и
дешевыми являются простые однослойные оболочки постоянной толщины. В
тоже время простые оболочки при работе на сжатие имеют более низкую
несущую способность при одной и той же суммарной массе конструкции,
чем оболочки с подкрепляющими элементами или многослойные [1].
Простые
оболочки,
для
которых
определяющими
являются
нормальные напряжения, могут использоваться в так называемых «сухих»
отсеках корпуса, которые в отличие от баковых отсеков не содержат топлива
и поэтому не нагружаются внутренним давлением, которое оказывает
существенное влияние на напряженное состояние отсека.
Определяющими для простых оболочек являются:
- осевая сила N;
- изгибающий момент Мизг.
При переходе к расчетной схеме осевая сила и изгибающий момент
условно заменяются постоянной эквивалентной осевой силой Nэ, Н,
равномерно распределенной по контуру оболочки и вычисляемой из условия
равенства максимальных нормальных напряжений, по формуле
N э  N  4М изг D .
(2.1)
Действующее расчетное нормальное напряжение  д , Н/мм2, вычисляют
по формуле
 д  Nэ F ,
30
(2.2)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где F — площадь поперечного сечения оболочки, мм2, вычисляют по
формуле
F    D   об .
(2.3)
Разрушающее напряжение  р , Н/мм2, как критическое напряжение
потери устойчивости с учетом работы за пределом пропорциональности
приближенно вычисляют по формуле
 р   В  1    1     2 ,
(2.4)
где    В  Э ;
 В — предел прочности материала, Н/мм ;
2
 Э — критическое
предположении,
что
пропорциональности,
напряжение
материал
Н/мм2,
потери
оболочки
которое
для
устойчивости
работает
в
в
пределах
цилиндрической
оболочки
вычисляют по формуле
 Э  k M  k  E   об D ,
(2.5)
где kМ — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения
сжимающих напряжений по сечению от Мизг, Н  м, и N, Н, вычисляют по
формуле
k M  1  1,254М изг  N  D 1  4М изг  N  D ;
k — коэффициент,
учитывающий
влияние
(2.6)
начальных
технологических несовершенств оболочки, приближенно вычисляют по
формуле
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»


k  1,2 1  0,0025D  об   0,0025  D  об  .
(2.7)
Из условия равенства действующих и разрушающих напряжений
можно определить потребное значение  об . В частности, можно использовать
графический метод решения соответствующего уравнения, задав несколько
значений  об в окрестности ожидаемого решения  об1 ,  об2 ,...,  обn. Вычислив
для этих значений  д ,  р и построив кривые  д  об ,  р  об  , на их пересечении
получают потребное расчетное значение  обпотр , в соответствии с рисунком 2.1.
Рисунок 2.1 — Определение расчетного значения толщины оболочки
Может оказаться, что кривые  д  об ,  р  об  не пересекаются в области
заданных значений толщины  об . В этом случае следует задать еще одно или
несколько
значений
 об
в
направлении
области
предполагаемого
пересечения.
Необходимо в соответствии с исходными данными, представленными в
таблице 2.1, необходимо
определить потребную толщину обшивки и
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
размеры
элементов
продольного
подкрепляющего
набора
открытого
профиля.
Таблица 2.1 — Исходные данные для определения толщины обшивки
№
вар.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Вар.
ОКТР
Al
лист
и
проф.
ТП
сварка
Al
лист
и
проф.
ТП
литье
Ti
лист
и
проф.
ТП
сварка
Ti
сплав
ТП
литье
Мизг,
(Н  м)  10-2
D, мм
300 400 500
50
50
100
60
52
130
70
55
140
80
57
145
90
60
125
100
62
150
110
65
120
120
67
135
130
70
140
140
150
160
170
180
190
200
210
220
52
55
57
60
62
65
67
70
72
130
120
115
140
145
150
110
115
123
300
110
120
130
140
150
160
170
180
190
N,
Н  10-2
D, мм
400
55
57
59
61
63
65
67
70
72
500
110
115
120
130
125
113
130
120
135
200
210
220
230
240
250
260
270
280
57
59
61
63
65
67
70
70
75
120
115
118
150
155
160
105
110
124
300
140
130
200
230
260
290
320
350
381
Q,
Н  10-2
D, мм
400
140
143
146
149
152
155
158
161
163
500
280
310
330
340
300
285
310
315
341
410
440
470
500
530
560
590
680
650
143
146
149
152
155
158
161
163
165
320
300
295
340
350
360
305
320
315
300
150
150
150
150
150
150
150
150
150
Трасч.,
0
С
D, мм
400
180
180
180
180
180
180
180
180
180
500
175
175
175
175
175
175
175
175
175
350
350
350
350
350
350
350
350
350
400
400
400
400
400
400
400
400
400
380
380
380
380
380
380
380
380
380
Алгоритм решения
Части обшивки между стрингерами (или другими подкрепляющими
элементами) и поперечными шпангоутами образуют так называемые панели,
которые под действием сжимающих и сдвигающих нагрузок вблизи
нейтральной линии отсека могут терять местную устойчивость. Критическое
состояние такой панели l, мм, вычисляют по формуле
l   д  р    д  р  ,
2
33
(2.8)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где  р , р — разрушающие напряжения при раздельном действии
нормальных и касательных нагрузок, Н/мм2.
Разрушающие напряжения  р , Н/мм2, при сжатии приближенно
вычисляют в соответствии с формулой (2.4),  Э , Н/мм2, входящее в (2.4),
вычисляют по формуле


(2.9)
3,6E  b    — соответствует
потере устойчивости панели как
 Э  3,6Е  b  2  1,2   D ,
где
2
плоской пластины;
(1,2  ( D)) — учитывает
кривизну
и
равно
критическим
напряжениям сжатия цилиндрической оболочки.
Разрушающие напряжения при сдвиге для
такой панели без
подкрепляющего набора  р , Н/мм2, приближенно вычисляют по формуле
 р   В  1  у  1  у  у 2  ,
(2.10)
у   В  Э   bi ,
(2.11)


 Э  k1  E  b  2  0,8  E   D ,
(2.12)
где k1  4,85  3,6b a 2 — в предположении шарнирного опирания всех
кромок.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3 Усиленные шпангоуты корпуса
Усиленные
шпангоуты
воспринимают
главным
образом
сосредоточенные нагрузки (силы и моменты) в своей плоскости. Силовая
схема (СС) шпангоута, находящаяся под действием любой комбинации
силовых нагрузок, может быть «собрана» из нескольких элементарных
силовых схем. Так, если на шпангоуты в его плоскости действует момент М,
то для его восприятия требуется установка дополнительных силовых
элементов – стоек под силу Р=М/Н, в которую трансформируется момент на
плече Н, в соответствии с рисунком 3.1.
а — схема уравновешивания шпангоутом момента.
Рисунок 3.1, лист 1 — Схема уравновешивания шпангоутом нагрузок
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б — схема уравновешивания шпангоутом силы.
Рисунок 3.1, лист 2
Действующий на шпангоут момент уравновешивается круговым
постоянным потоком касательных сил qоб., Н, в соответствии с рисунком
3.1а, вычисляют по формуле


qоб  4М    D 2 .
(3.1)
Действующие на стойки силы — потоками qст.1, Н, в соответствии с
рисунком 3.1б, вычисляют по формуле
qст1  qст 2  Р 2  hшп  .
(3.2)
Форма внутреннего обвода шпангоута определяется требованием
минимальной
массы,
располагаемым
36
внутренним
объемом
корпуса,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
требованием технологичности. Эти требования, как правило, противоречивы.
Так, для обеспечения требования минимальной массы высота шпангоута и
размеры поперечных сечений должны быть переменными, а для обеспечения
технологичности их желательно иметь постоянными. Иногда тот или иной
фактор
является
определяющим
в
конструкторском
решении.
В
предлагаемой ниже задаче форма внутреннего обвода будет считаться
заданной.
Опорные потребные площади поперечных сечений и толщины стенок
шпангоута можно определить в зависимости от схемы нагружения и
предполагаемого
конструктивно–технологического
решения
силовых
элементов по приближенным зависимостям.
В качестве примера рассмотрим крыльевой шпангоут для восприятия
изгибающих моментов  М и перерезывающих сил  Т от лонжеронов двух
консолей крыла. Схема нагружения такого шпангоута представлена в
соответствии с рисунком 3.2а. Рассмотрение суммарных эпюр внутренних
силовых факторов, полученных методом суперпозиции, в соответствии с
рисунком 3.2, показывает, что для определения потребных площадей сечений
поясов расчетными являются сечения «1», «2», «3», «4», в соответствии с
рисунком 3.2б.
а — схема нагружения шпангоута.
Рисунок 3.2, лист 1 — Схема нагружения
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б — принцип суммирования элементарных схем нагружения.
Рисунок 3.2, лист 2
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Значения суммарных внутренних силовых факторов (Мизг, и N) в этих
сечениях в безразмерном виде представлены в соответствии с таблицей 3.1
(нормальная сила разделена поровну между наружными и внутренними
поясами).
Таблица 3.1 — Значения внутренних силовых факторов
Мизг/D  T
Сечение
1
2
3
4
N/T
Внутренний пояс
-0,25
0,263
0,252
0,397
0,5
-0,154
-0,037
0,22
Наружный пояс
0,25
-0,263
-0,252
-0,397
Знаки зависят от того, складываются или вычитаются усилия от
момента и от нормальной силы в поясе. Суммарная сила в поясе (от Мизг, и N)
может быть как сжимающей, так и растягивающей в зависимости от знаков
внешних нагрузок М и Т.
Под эти нагрузки нужно подобрать соответствующие рациональные
сечения шпангоута. Для этого на первом этапе конструирования можно
применить балочную расчетную схему сечения, в соответствии с которой
распределение
нормальных и касательных напряжений в сечении
вычисляют по формулам
  z   М изг. J   z  N F  ,
(3.3)
  z   Q  S z  J   z  ,
(3.4)
где J — момент инерции, м4;
F — площадь поперечного сечения, мм2;
S(z) — статический
момент
отсеченной
части
сечения,
в
соответствии с рисунком 3.3а, м3;
z — расстояние от нейтральной оси до рассматриваемой точки, мм;
 z  — ширина сечения на расстоянии z, мм.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Соответствующие эпюры  , представлены в соответствии с рисунком
3.3а.
Анализ этих эпюр показывает, что в основном изгиб воспринимают
пояса, а роль стенки невелика, и, наоборот, сдвиг воспринимается главным
образом стенкой при незначительной роли поясов. Поэтому с допустимой
для начального этапа конструирования точностью можно считать, что пояса
воспринимают только Мизг, и N, а стенка — только Q. Причем распределение
напряжений по этим элементам можно считать равномерным, в соответствии
с рисунком 3.3в. Это оказывается очень удобным при конструировании, т.к.
позволяет независимо определять потребную форму и размеры элементов
сечения, пользуясь понятием поясной силы для наружного Рпн , Н,
и
внутреннего Рпв , Н, поясов, которые вычисляют по формуле
Рпн,в  М изг hстр.   N н,в ,
(3.5)
где hстр — строительная высота сечения шпангоута (расстояние между
центрами площадей сечений поясов, мм, в соответствии с рисунком 3.3г).
а — параметры сечения.
Рисунок 3.3, лист 1 — Расчетная модель поперечного сечения шпангоута
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б
в
г
б — действительные эпюры  , ; в — упрощенные эпюры  , ; г —
расчетные параметры сечения.
Рисунок 3.3, лист 2
В формуле (3.5) продольные силы
N н ,в
зависят от положения
нейтральной оси сечения, но приближенно можно считать, что сила N н,в , Н,
поровну распределяется между поясами, которую вычисляют по формуле
N í ,â  N 2 .
41
(3.6)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Потребные площади поясов Fпв ,н , мм2, вычисляют по формуле
Fпв ,н 
М
изг.
k стр.  h  N в.н
 k
уст.
  В ,
(3.7)
где kстр — коэффициент строительной высоты сечения шпангоута,
учитывающий отличие расстояния между центрами площадей поясов от
высоты сечения h, равно 0,9 — для внутренних поясов, подкрепленных от
потери устойчивости и 0,95 — для простых поясов (уголкового или
таврового сечения);
kуст — коэффициент
устойчивости,
учитывающий
снижение
разрушающих напряжений за счет потери устойчивости при сжатии, равно
0,9 — для
внутренних поясов, подкрепленных от потери устойчивости и
0,8 — для простых поясов (уголкового или таврового сечения).
В большинстве случаев компоновка ЛА такова, что требуется
шпангоут
переменной
высоты.
Так,
например,
газовод
воздушно–
реактивного двигателя может быть сдвинут вниз по отношению к обводам
корпуса, что дает возможность увеличить строительную высоту килевого
шпангоута в зоне крепления киля за счет уменьшения строительной высоты в
слабонагруженном сечении, в соответствии с рисунком 3.4.
1 — наружный обвод корпуса ЛА; 2 — газовод двигателей; 3 — киль;
4 — килевой шпангоут.
Рисунок 3.4 — Пример рациональной компоновки двигателя в корпусе ЛА
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В этих случаях в формуле (3.3) для каждого сечения используется
соответствующее значение h.
Уменьшение строительной высоты шпангоута в слабонагруженных
зонах
может
способствовать
уменьшению
массы.
При
таком
конструкторском решении целесообразно форму внутреннего обвода
шпангоута принять такой, чтобы потребные площади сечений поясов были
почти постоянными или мало менялись по обводу. Приближенно потребные
высоты hi, мм, в i-м сечении вычисляют по формуле


hi  h Fni Fnmax ,
(3.8)
где Fnmax , Fni — потребные площади пояса в наиболее нагруженном
сечении шпангоута с h=const и в i-м сечении того же шпангоута.
Далее следует перейти к конструкторской реализации шпангоута. При
этом главной задачей является достижение значений разрушающих
напряжений потери устойчивости ( k уст   В ), фигурирующих в формуле (3.7).
первым рассматривается внутренний пояс, т.к. он находится в более тяжелых
условиях по устойчивости.
Двутавровая форма поперечных сечений шпангоута, в соответствии с
рисунком 3.3 наиболее технологична, но наличие свободного края
способствует потере устойчивости внутреннего пояса. В этом случае
потребное соотношение между шириной и толщиной внутреннего пояса
каждого сечения шпангоута определяется из условия устойчивости при
сжатии. Расчетной моделью является пластина, опертая шарнирно по трем
сторонам и с одной стороны свободная, в соответствии с рисунком 3.5.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.5 — Расчетная модель внутреннего пояса шпангоута при
работе на сжатие
Критическое напряжение потери устойчивости  кр , Н/мм2, для такой
пластины вычисляют по формуле
 кр   В 1  у  1  у  у 2  ,
(3.9)
у В Э ,
(3.10)


 Э  k Е b  2 ,
(3.11)
k  f a b .
Размер
а
в
расчетной
модели
(3.12)
при
отсутствии
поперечных
поддерживающих элементов не определен, но приближенно можно считать,
что в данном случае a b  2 , поэтому k=0,4. Тогда учитывая связь FnB  2b   n ,
получаем
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»


 Э  0,4 Е FnB 2 n  .
2
(3.13)
Для рационально спроектированного пояса выполняется условие
 д   кр ,
 д  FnB 2b   n  .
где
Уравнение
(3.14)
(3.14)
является
нелинейным
(3.15)
относительно
искомой
величины  п и сравнительно просто решается графически путем задания
нескольких значений  п . Пересечение соответствующих кривых на графике в
соответствии с рисунком 3.6, дает потребное значение  п .
Рисунок 3.6 — Графическое решение уравнения (3.14) для определения
потребной толщины пластины
При этом для ориентировки в выборе ряда значений  п , мм, можно
учесть, что минимально возможным значением является то, которое
получается из условия прочности (без потери устойчивости), вычисляют по
формуле
 nmin  PnB 2b   B  .
45
(3.16)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наружный пояс соединен с обшивкой, которая увеличивает его
устойчивость. Более того, часть обшивки может быть включена в площадь
пояса по 1,5  об от шва соединения с обшивкой в обе стороны, в соответствии
с рисунком 3.7.
А — ширина обшивки, работающей совместно с поясом.
Рисунок 3.7 — Расчетная модель наружного пояса шпангоута
Если же шпангоут выполнен за одно целое с обшивкой корпуса, то
обшивка включается полностью на ширине пояса и по 1,5  об в обе стороны
от пояса. В последнем случае пояс не может терять устойчивости и его
размеры определяются в соответствии с полученным ранее значением Fпн с
учетом включения обшивки и технологических ограничений.
Если же пояс прикреплен к обшивке точечным швом, то для
определения
потребных
работоспособности
по
размеров
устойчивости,
пояса
составляется
аналогичное
(3.14),
условие
при
этом
продольный размер а определяется шагом точечного шва, в соответствии с
рисунком 3.7.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Потребная
толщина
стенки
шпангоута
двутаврового
сечения
определяется из условия устойчивости при сдвиге
 д   кр ,
(3.17)
где  д — действующее расчетное касательное напряжение в стенке,
Н/мм2, вычисляют по формуле
 д  Q k стр.  h   ст.  ;
 кр — критическое
(3.18)
напряжение потери устойчивости, Н/мм2,
вычисляют по формуле
 кр   В 1  у  1  у  у 2  ,
(3.19)
у В Э .
Для
гладкой
неподкрепленной
(3.20)
стенки
величина
критического
напряжения  Э , Н/мм2, при работе в упругой зоне вычисляют по формуле


 Э  k Е b  ст. 2 ,
(3.21)
где k  4,85  3,6b a 2 ;
b — всегда
меньшая
сторона
расчетной
прямоугольной
пластинчатой модели, равная hстр, в соответствии с рисунком 3.8.
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.8 — Расчетная модель стенки шпангоута
Большая сторона — это расстояние между подкрепляющими стойками.
Если подкрепляющих стоек нет, то k=4,85. Решение уравнения относительно
неизвестной  ст можно получить аналогично решению уравнения (3.14).
Более высокими критическими напряжениями потери устойчивости
для внутреннего пояса обладают коробчатые формы поперечного сечения
шпангоута, в соответствии с рисунком 3.9.
Рисунок 3.9 — Коробчатое поперечное сечение шпангоута
При определении потребных размеров внутреннего пояса используется
расчетная модель пластины, шарнирно опертой по всем четырем сторонам. В
то же время условие работы стенок на сдвиг в таком сечении ухудшаются,
т.к. две стенки половинной толщины имеют меньшую суммарную несущую
способность по устойчивости, чем одна целая стенка. Поэтому в итоге
выигрыша в суммарной массе шпангоута при переходе на такие формы не
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
получается. Обычно их использование
определяется технологическими
преимуществами при штамповке из листового материала.
Получить же выигрыш в суммарной массе шпангоута позволяют
специальные меры по повышению критических напряжений элементов
шпангоута. Так, эффективны внутренние пояса трубчатого сечения, в
соответствии с рисунком 3.10, а стенки шпангоута — гофрированные.
Рисунок 3.10 — Шпангоут с внутренним поясом трубчатого
поперечного сечения
Существенно уменьшить массу гладкой стенки шпангоута можно
также с помощью отверстий в слабонагруженных зонах, в соответствии с
рисунком 3.11.
Рисунок 3.11 — Шпангоут с отверстиями для облегчения стенки
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При определении допустимых диаметров отверстий и их расположение
можно пользоваться экспериментально подтверждено принципом: отверстия
не влияют на несущую способность стенки при сжатии, если сдвигающие
напряжения в оставшихся поперечных  1 и продольных  2 перемычках не
превосходят предела прочности на сдвиг.
Необходимо рассчитать и сконструировать сечение шпангоута для
четырех шарнирных узлов крепления консолей крыла ЛА, выполненного по
схеме «+», в соответствии с рисунком 3.12 и
с исходными данными
представленными в таблице 3.2.
Рисунок 3.12 — Нагрузки на шпангоут от шарнирных узлов крепления
консоли крыла ЛА схемы «+»
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.2 — Исходные данные
№
вар.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Вар.
ОКТР
Al
лист
и
проф.
ТП
сварка
Al
лист
и
проф.
ТП
литье
Ti
лист
и
проф.
ТП
сварка
Ti
сплав
ТП
литье
Мизг,
(Н  м) 10-2
D, мм
300 400
50
50
52
60
55
70
57
80
60
90
62 100
65 110
67 120
70 130
62
55
67
60
62
65
67
70
72
140
150
160
170
180
190
200
210
220
Т,
Н  10-2
500
100
130
140
130
120
105
120
135
150
D, мм
300 400
55
110
57
120
59
130
61
140
63
150
65
160
67
170
70
180
72
190
500
110
115
130
140
130
113
130
120
140
0,8
0,8
0,9
0,9
0,9
1
1
1
1
Расчетн. Темпер.
Конструкции,
0
С
D, мм
400 500 300
150 180 175
150 180 175
150 180 175
150 180 175
150 180 175
150 180 175
150 180 175
150 180 175
150 180 175
100
120
115
140
145
130
100
110
123
57
59
61
63
65
67
70
70
75
120
130
118
150
155
140
110
120
124
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,3
1,5
1,5
350
350
350
350
350
350
350
350
350
200
210
220
230
240
250
260
270
280
51
Толщина
обшивки
отсека
 об , мм
400
400
400
400
400
400
400
400
400
380
380
380
380
380
380
380
380
380
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4 Лонжероны крыла
Лонжероны являются главными силовыми элементами, передающими
нагрузку с крыла на корпус.
Для определения нагрузок на лонжероны, так же как и на другие узлы
крыла, требуется знание распределения воздушной нагрузки по поверхности
крыла при различных режимах полета.
Могут использоваться несколько приближенных моделей нагрузок для
аэродинамических несущих поверхностей, рисунок 4.1. Заданной считается
суммарная поперечная аэродинамическая нагрузка на консоль крыла Yк.
Распределение воздушной нагрузки по консоли принимается равномерным
для сверхзвуковой скорости полета М   2 , так что центр давления
совпадает с центром площади консоли Sк. В соответствии
допущениями все компоненты нагрузки Q, Н,
с такими
Мизг, Н  м, Мкр, Н  м, для
любого хордового сечения консоли i-i вычисляют по формуле


(4.1)
 

(4.2)
 

(4.3)
Qi   Yк S к(i ) S к ,
i 
М изг
 Yк S к(i ) S к  zi ,
М крi   Yк S к(i ) S к  хi ,
где S кi  — отсеченная часть площади консоли, в соответствии с
рисунком 4.1;
z i , xi — расстояние центра площади
расчетного сечения i-i и от его центра жесткости.
52
S кi 
соответственно от
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 — центр площади отсеченной части консоли; 2 — линия центров
жесткости (ЛЦЖ) консоли.
Рисунок 4.1 — К приближенной модели нагружения консоли крыла для
М > 2
Линия
центров
жесткости
консоли
на
начальной
стадии
конструирования определяется приближенно в зависимости от силовой
схемы крыла. Для лонжеронной силовой схемы крыла ЛЦЖ принимается как
ЛЦЖ лонжеронов.
Для дозвуковой скорости полета ( М  < 1) распределение воздушной
нагрузки по размаху принимается также равномерным, а по хорде —
трапецеидальным с центром давления на 0,25b от носка. Так что центр
давления отсеченной части консоли S кi  принимается на 0,25 средней хорды,
т.е. хорды, проходящей через центр площади S кi  , в соответствии с рисунком
4.2.
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 4.2 — К приближенной модели нагружения консоли крыла для
М   1 (А — центр площади отсеченной части консоли)
В соответствии с этим все компоненты нагрузок для любого сечения i-i
вычисляют по формулам (4.1)–(4.3) с учетом другого расположения центра
давления вдоль средней хорды.
Распределение нагрузок по лонжеронам, Qi, Н, лонжеронного крыла
приближенно можно принять пропорциональным жесткостям и вычисляют
по формуле

Qi  Q Н i2

где
Q — суммарная
H
i 1, 2 ,...n
2
j

 ,

перерезывающая
(4.4)
сила
в
рассматриваемом
хордовом сечении крыла, Н;
Hi — толщина профиля крыла у i-го лонжерона в рассматриваемом
хордовом сечении крыла, мм.
Изгибающий момент по лонжеронам Мизгi, Н  м, вычисляют по формуле
М изгi  М изг Qi Q .
54
(4.5)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эти изгибающие моменты действуют относительно связанной оси ОХ.
В стреловидных лонжеронах изгибающие моменты Мизг, Н  м, вдоль
лонжерона вычисляют по формуле
л
М изгi
 M изгi сos лi ,
(4.6)
где  лi — угол стреловидности i-го лонжерона.
При лучевой силовой схеме крыла (все лонжероны сходятся в одном
узле крепления консоли к корпусу) правильнее распределять нагрузки,
пользуясь приближенной моделью нагрузки для каждого лонжерона–луча. В
соответствии с этой моделью считается, что на каждый такой лонжерон
передается воздушная нагрузка с зоны, расположенной между биссектрисами
углов, которые образованы соединениями лонжеронов, в соответствии с
рисунком 4.3.
1 — биссектрисы углов, образованных соседними лучами;
2 — центр площади отсеченной части крыла.
Рисунок 4.3 — К распределению нагрузки по лонжеронам при лучевой
силовой схеме консоли крыла
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тогда в каждом i-м сечении луча можно приближенно вычислить
перерезывающую силу Q л(i ) , Н, и изгибающий момент Мизг.л, Н  м, по формуле
Qл(i )  У к  S i S к  ,
(4.7)
М изг. л  Qл(i )  z i ,
(4.8)
где Si — часть площади крыла, образованная двумя биссектрисами;
z i — расстояние от центра рассматриваемой части крыла до
расчетного сечения i-i.
Конструирование лонжерона имеет много общего с конструированием
усиленных шпангоутов. Аналогично определяющими нагрузками являются
изгибающий момент Мизг и перерезывающая сила Q. Отсутствует только
продольная сила N. Применение балочной расчетной модели в данном случае
является еще более естественным и обоснованным, чем при конструировании
шпангоутов. Поэтому в данном случае в полной мере применим принцип
разделения функций поясов, которые считаются воспринимающими только
Мизг, и стенки, которые считаются воспринимающей только Q.
Если нагрузки на крыло могут менять знак, то оба пояса лонжерона
должны быть одинаковыми и их потребную площадь в каждом расчетном
сечении Fпл , мм2, вычисляют по формуле
п
kстр  Н л   В  ,
Fпл  М изг
где
kстр — коэффициент,
учитывающий
(4.9)
снижение
строительной
высоты за счет толщины пояса. По статистике для алюминиевых сплавов
kстр=0,9, для титановых и стальных сплавов kстр=0,95;
Нл — толщина крыла в сечении лонжерона, мм;
 В — предел прочности материала пояса.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
После определения потребной площади Fл
сечений лонжерона
прорабатывается форма поперечного сечения пояса. При этом главными
целями конструктора является следующее:
1) максимальное использование прочности материала по возможности
без потери устойчивости при напряжениях менее  В . С этой точки зрения
выгодно иметь bпл /  пл <10, в соответствии с рисунком 4.4а;
а
б
в
г
а — максимальное использование прочности материала; б — максимальное
использование строительной высоты профиля крыла; в — улучшение
технологичности конструкции и снижение стоимости изготовления; г —
конструкция полученная штамповкой или фрезерованием.
Рисунок 4.4 — К выбору формы пояса лонжерона
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2) максимальное использование строительной высоты профиля крыла.
С этой точки зрения выгодно иметь bпл /  пл >10, в соответствии с рисунком
3.4б;
3) улучшение технологичности конструкции и снижение стоимости
изготовления. С этой точки зрения выгодно перейти от конструкции пояса, в
соответствии с рисунком 4.4в, которая может быть изготовлена штамповкой
или фрезерованием, к конструкции, в соответствии с рисунком 4.4г, которая
может быть собрана из стандартных профилей и листа.
Процесс
выбора
формы
пояса
лонжерона
заключается
в
конструкторской проработке ряда вариантов и выборе наиболее приемлемого
с точки зрения компромиссного удовлетворения перечисленным выше
требованиям. Проработка формы пояса начинается с наиболее нагруженного
сечения — корневого. Выбранная форма корневого сечения определяет и
форму других сечений вдоль лонжерона. Изменение формы пояса к концу
лонжерона диктуется уменьшением Fпл и одновременно необходимостью
сохранения
например,
минимально
допустимых
фрезерование полки
уголка
технологических
до
толщины
толщин.
ниже
1,5
Так,
мм
нетехнологично. Более технологичным и дешевым является изменение Fпл за
счет ширины bпл. Но при этом нужно обеспечить непрерывное крепление
пояса к обшивке крыла. Удовлетворить этим требованиям можно, изменяя
одновременно  пл и bпл ступенчато.
Стенка лонжерона так же, как и в шпангоуте, передает в основном
перерезывающую силу Q (пояса на срез практически не работают), а
распределение касательных напряжений по высоте стенки можно принять
равномерным. Действующее касательное напряжение в стенке  д , Н/мм2,
вычисляют по формуле
 д  Q Н стр   ст  .
58
(4.10)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Толщину стенки  ст , мм, подбирают из условий прочности на сдвиг (с
учетом устойчивости)
д  р ,
(4.11)
где  р — разрушающее напряжение сдвига, Н/мм2.
Стенка может составлять единое целое с поясами или крепиться
дискретно в точках (сваркой, заклепками или болтами). В последнем случае в
соответствии с законом парности касательных напряжений срезающую силу,
Pt , Н, действующую на точку вычисляют по формуле
Pt   д   ст  t .
(4.12)
Этой силе должен соответствовать диаметр точки сварки, заклепки или
болта.
В большинстве случаев гладкие стенки лонжеронов работают на
сжатие. Повысить их критические напряжения потери устойчивости при
сдвиге
 кр и тем самым снизить массу можно, применяя подкрепление
стенки поперечным или продольным набором. Более эффективным, но и
более дорогим способом повышения  кр является гофрирование стенок, в
соответствии с рисунком 4.5.
Рисунок 4.5 — Гофрированная стенка из двух половин
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для облегчения стенок с очень низким  кр можно также применять
отбортованные отверстия, в соответствии с рисунком 4.6.
Рисунок 4.6 — Отбортованные отверстия в стенке лонжерона
Можно считать, что отбортованные отверстия не снижают сдвигающих
критических напряжений общей устойчивости стенки, но при этом
повышаются действующие напряжения сдвига в перемычках
1 / 2, 2 .
Сдвигающие силы, Q(2) , Н, Q(l / 2) , Н, действующие на перемычку l / 2, 2 ,
вычисляют по формуле
Q 2  Q  L  Н стр
,

Ql 2  Q 2
(4.13)
где Q — перерезывающая сила в данном сечении лонжерона.
Диаметр отверстий Dот и их шаг определяются местной прочностью
перемычек.
Лонжеронные крылья, как правило, имеют тонкую обшивку, не
воспринимающую нормальные нагрузки. Поэтому на ранних этапах
конструирования таких крыльев доля присоединенной к площади пояса
обшивки может не учитываться. Но при некоторых конструктивно –
технологических решениях ситуация меняется. Так, например, если консоль
крыла с лучевой силовой схемой изготавливается штамповкой или литьем из
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
двух половин с разъемом по срединной плоскости, то обшивка получается
сравнительно толстой из-за технологических ограничений и ее «вклад» в
площади поперечных сечений поясов лонжеронов–лучей может быть
настолько большим, что на некоторых концевых участках лонжеронов ее
одной может хватить для восприятия изгибающего момента для поясов. При
определении
участков, где не нужны пояса, можно пользоваться
практической рекомендацией, согласно которой в работу включается ширина
обшивки, равная 30 об (по 15  об с каждой стороны от стенки лонжерона). На
тех участках лонжерона, где ширина нагрузочной зоны больше чем 30 об ,
поясов не требуется, и сечение по лонжерону выглядит в соответствии с
рисунком 4.7. В сечениях, где обшивки не хватает, предусматриваются пояса.
Рисунок 4.7 — К особенностям конструкции лонжеронов–лучей консоли,
состоящей из двух половин
Другой особенностью таких консолей является то, что лонжероны
состоят из двух половин, которые должны быть соединены между собой
заклепками (или болтами) для восприятия сдвига между этими половинами.
В соответствии с правилом парности касательных напряжений (потоков сил)
в стенке лонжерона сдвигающее усилие на одну заклепку (болт)
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
приближенно можно определить в предположении, что перерезывающая сила
постоянна или равна действующей в том сечении, где установлена
рассматриваемая заклепка. Тогда потоки касательных сил q1, Н, и q2, Н,
вычисляют по формуле
q1  q2  Q c ,
(4.14)
где с — толщина крыла в месте установки заклепки.
Поток сил q2 на длине а1/2+а2/2 суммируется, и результирующая сила
воздействует на заклепку, Рб, Н, которая должна быть подобрана из условия
прочности на срез и смятие, вычисляют по формуле
Рб  q2 а1 2  а2 2 .
(4.15)
Необходимо рассчитать и сконструировать сечение А–А луча–
лонжерона, в соответствии с рисунком 4.8, для исходных данных в
соответствии с таблицей 4.1.
Рисунок 4.8 — Геометрические характеристики крыла с лучевой силовой
схемой
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.1 — Исходные данные
№
Вар.
Вариант
ОКТР
крыла
Толщина
обшивки
крыла  об , мм
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Al
лист и
профиль,
ТП-сварка
0,8
0,8
0,9
0,9
0,9
1,2
1,2
1,2
1,2
1
1
1
1
1
1,3
1,3
1,3
1,3
Al
лист и
профиль,
ТП-литье
Ti
лист и
профиль,
ТП-сварка
Ti
лист и,
профиль
ТП-литье
63
Расчетная
подъемная сила на
консоль Ук,
Н  10-2
60
75
90
105
120
135
150
165
180
65
80
95
110
125
140
155
170
185
Расчетная
температура
конструкции, 0С
150
150
150
150
150
180
180
180
180
350
350
350
350
350
370
370
370
370
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5 Неразъемные соединения
5.1 Заклепочные соединения силовых элементов оболочек
Силовые
элементы
оболочек
воспринимают
главным
образом
распределенные по контуру нагрузки. Наиболее универсальным из известных
типов неразъемных соединений элементов оболочек является заклепочное
соединение в виде шва с малым шагом заклепок по контуру. Такое
соединение характеризуется наибольшей прочностью. Применяется в тех
случаях, когда нагрев соединяемых деталей нежелателен, а также при
соединении элементов из разнородных материалов, сварка которых
затруднена, а склеивание не обеспечивает нужной прочности.
Определяющей формой разрушения для заклепочных соединений
является срез заклепок. Обычно в конструкциях ЛА применяют односрезные
заклепочные швы. Следует избегать работы заклепок на отрыв, т.к. этот вид
нагрузки они воспринимают плохо, особенно заклепки с потайной головкой.
Если избежать существенных отрывающих нагрузок не удается, то следует
переходить на болтовые соединения.
Геометрические размеры заклепочного шва определяется из условия
прочности при всех возможных формах разрушения: срез заклепок, разрыв
листа, срез листа, смятие листа под заклепкой и смятие заклепки под листом.
Каждое из этих условий должно выполняться для каждого из двух
соединяемых листов. Если же материалы обоих листов и заклепки одинаковы
по прочностным характеристикам и толщина обоих листов одинакова, то шов
может быть сделан равнопрочным по всем видам разрушения, в соответствии
с рисунком 5.1а.
а — срез заклепок.
Рисунок 5.1, лист 1 — Возможные формы разрушения заклепочного
соединения
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б
в
б — срез листа; в — разрыв листа.
Рисунок 5.1, лист 2
В этом случае напряжение среза  3 , Н/мм2, и смятия  см , Н/мм2, в
каждой заклепке под действием силы Р, Н, поперек шва вычисляют по
формуле


(5.1)
 см  P n    d  ,
(5.2)
 3  Р п    d 2 / 4 ,
где n — количество заклепок, воспринимающих силу Р;
d — диаметр заклепки, мм.
Если принять разрушающее напряжение среза заклепки  3р  0,7   В , и
разрушающее смятие  смр  1,5   В , то условие равнопрочности по этим видам
разрушения с учетом формул (5.1) и (5.2) вычисляют по формуле
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
d  2,5   .
(5.3)
Обратная зависимость: для заклепки с диаметром d, мм, требуется
вычислить толщину листа  , мм, по формуле
  0,4  d .
(5.4)
Условие равнопрочности на смятие заклепки и срез листа а, мм,
вычисляют по формуле
а  1,57  d .
(5.5)
Шаг заклепок t , мм, определяют из условия равнопрочности на смятие
и разрыв листа и вычисляют по формуле
t  2,5  d .
(5.6)
Определение размеров заклепочного соединения выполняется в
следующей последовательности:
1) выбирают диаметр
и
материал заклепки
в
соответствии
с
имеющимися в справочной литературе нормалями и с учетом условий
производства и эксплуатации, например, при ручной клепке наиболее
рационален d=4 мм;
2) определяют разрушающую силу среза Рз. р , Н, для этой заклепки по
справочнику или вычисляют по формуле


Рз. р   В   d 2 4 ,
66
(5.7)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где  В — разрушающее напряжение среза материала заклепки, Н/мм2,
 В  0,7   В ;
3) определяют потребное количество заклепок в шве п, по формуле
n  P Рз. р ;
(5.8)
4) вычисляют потребный шаг t , мм, заклепок по формуле
t  L n,
(5.9)
где L — общая длина шва, в соответствии с рисунком 5.1;
5) по формуле (5.4) вычисляют потребную толщину листа под
выбранную заклепку. Если эта толщина меньше, чем действительная
толщина соединяемых деталей, то это означает, что соединение будет иметь
запас прочности по смятию, а если больше, то требуются конструктивные
мероприятия по утолщению листа в зоне соединения в виде навариваемой на
лист полосы, в соответствии с рисунком 5.2а, или в виде сплошного местного
утолщения, в соответствии с рисунком 5.2б;
а
б
а — с подваркой листа; б — с местным утолщением листа.
Рисунок 5.2 — Возможные конструктивные решения заклепочного
соединения
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6) по формуле (5.6) вычисляют потребный шаг заклепок. Если он
оказывается большим (или равным) чем максимально возможный на ширине
L, то этот последний t  L n и принимается окончательно. При этом
очевидно, появляется некоторый запас прочности по разрыву листа;
7) по формуле (5.5) вычисляют потребный размер а, мм.
Если же на ширине соединения L не умещается в один ряд потребное
количество заклепок с потребным шагом, то следует размещать эти заклепки
в два ряда (в шахматном порядке), в соответствии с рисунком 5.3а.
Проектирование двухрядного шва сводится к определению расстояния
между рядами h. Потребное количество заклепок в данном случае (если не
учитывать
неравномерность
распределения
силы
Р
по
заклепкам)
определяется аналогично, как и для однорядного шва. Но возможные формы
разрушения листов иные. Разрыв со сдвигом листов в данном случае может
происходить по пилообразной линии abc, в соответствии с рисунком 5.3б, а
также по линии ас, в соответствии с рисунком 5.3в. Схема нагружения одной
секции «пилообразного» элемента представлена в соответствии с рисунком
5.3б.
а — шов до разрушения.
Рисунок 5.3, лист 1 — Возможные формы разрушения двухрядного
заклепочного шва
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б
в
б — разрыв со сдвигом; в — разрыв.
Рисунок 5.3, лист 2
Суммарная сила на элемент 2Р п раскладывается на нормальные силы
N, Н, и касательные Т, Н, и вычисляют по формуле
 N  Р п  cos 
,

T  Р п sin 
(5.10)
где   arctg h t  .
Нормальные  , Н/мм2, и касательные  , Н/мм2, напряжения на гранях с
учетом ослабления отверстиями вычисляют по формуле
  Р п   cos  h sin    d  
.

  P n   sin  h sin    d  
Приведенное напряжение  пр , Н/мм2, вычисляют по формуле
69
(5.11)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 пр   2  4 2 .
(5.12)
Нормальное напряжение  ас , Н/мм2, на грани ас с учетом ослабления
отверстиями вычисляют по формуле
 ас  2Р п  1 2t  d   .
(5.13)
Условие равнопрочности по линиям abc и ас получают, приравняв
формулы (5.12) и (5.13). С учетом (5.11) после некоторых преобразований
получают
2  d t 
2
2
2
1  4h t   2 1  h t   1  h t   d t  .


(5.14)
Процедура перехода от однорядного к двухрядному шву, как уже
говорилось, состоит в определении потребного расстояния h, на которое
нужно сдвинуть половину заклепок внутрь листа. Для этого по имеющимся
уже данным для однорядного шва вычисляют величину d/t и из уравнения
(5.14) вычисляют потребную величину h/t . После этого по известному шагу t
и величине h/t вычисляют размер h.
Для приближенной, но быстрой оценки размеров двухрядного шва,
полагая в уравнении (5.14) d / t  0 , размер h, мм, вычисляют по формуле
h  2 t .
(5.15)
Следует иметь в виду, что при конструировании из технологических
соображений приходиться отступать от расчетных размеров шва. Кроме того,
диаметр d и
шаг заклепок корректируется (также в запас прочности) в
соответствии с нормалями для облегчения механизации и автоматизации
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
процесса клепки. Это к тому же упрощает подготовку производства
(разметку, изготовление шаблонов, кондукторов и т.д.).
Для однорядного заклепочного шва, передающего сдвигающую силу Р
(что эквивалентно передаче сдвигающего потока сил q  P / L ), напряжения
среза и смятия в заклепках определяются по тем же формулам (5.12) и (5.13),
что и для однорядного поперечного шва. Поэтому соотношения между
диаметром заклепки d , мм, и толщиной листа  , мм, (при тех же
предположениях) вычисляют по формуле
d  2,5   ,
(5.16)
  0,4  d .
(5.17)
Срез перемычек между отверстиями в данном случае происходит не
поперек
шва,
а
вдоль
и
причем
односторонне.
Поэтому
условие
равнопрочности заклепок при смятии и срезе определяется по-другому.
Условие прочности заклепки при смятии под действием силы
Рэ, Н,
вычисляют по формуле
1,5 В  Рэ d    .
(5.18)
Условие прочности листа при срезе,  В , Н/мм2, в соответствии с
рисунком 5.4 вычисляют по формуле
0,75 В  PЗ t  d    .
(5.19)
Из условия равнопрочности с учетом (5.18) и (5.19) шаг t , мм,
вычисляют по формуле
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
t  3,14  d .
(5.20)
Перемычки между отверстием и краем листа ( а  d 2 ) здесь также
работают по-другому, т.е. не на срез, как в поперечном шве, а на разрыв под
действием силы Р3/2, в соответствии с рисунком 5.4.
1 — линия среза перемычки между отверстиями; 2 — линия разрыва
перемычки между отверстиями и краем листа.
Рисунок 5.4 — Схема работы однорядного заклепочного шва на сдвиг
Из условия равнопрочности заклепки на смятие и разрыв перемычки
d
2
( а  ) величину а, мм, вычисляют по формуле
а  1,75  d .
(5.21)
Процедура определения потребных размеров заклепочного шва,
работающего на сдвиг, может быть построена примерно так же, как и
процедура расчета поперечного шва, но с учетом указанных выше
особенностей работы. Здесь также может возникнуть ситуация, когда
потребное количество заклепок разместить в один ряд с потребным шагом
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
невозможно. Ограничением в данном случае является срез перемычек между
отверстиями. При этом обеспечить прочность шва можно так же, как и в
предыдущем случае, выдвижением половины заклепок во второй ряд в
шахматном порядке на расстояние h от первого ряда, в соответствии с
рисунком 5.5а. В данном случае возможны две формы разрушения листа по
отверстиям:
а) разрыв со сдвигом по пилообразной линии abc, в соответствии с
рисунком 5.5б;
б) срез по линии ac, в соответствии с рисунком 5.5в.
а
б
а — шов до разрушения; б — разрыв со сдвигом;
Рисунок 5.5, лист 1 — Возможные формы разрушения двухрядного шва,
работающего на сдвиг
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в
в — чистый сдвиг.
Рисунок 5.5, лист 2
Для первой формы разрушения суммарная сила 2 Р п раскладывается
на гранях треугольного элемента на нормальные N, Н, и касательные Т, Н,
которые вычисляют по формуле
 N  Р п sin 
.

T  Р п  cos 
(5.22)
Используя, как и в предыдущем случае, условие равнопрочности шва
по линии
abc и ac, получаем после преобразований уравнение для
определения потребного соотношения h/t при известном d/t следующего вида
2  d t 
2
2
2
4  h t   2,86 1  h t   1  h t   d t  .


(5.23)
Во многих случаях заклепочные швы воспринимают как нормальную
PN , так и сдвигающую Р нагрузку одновременно, в соответствии с
рисунком 5.6.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.6 — Схема однорядного заклепочного шва, воспринимающего
нормальную и сдвигающую нагрузки одновременно
В этих случаях напряжения в каждой заклепке  3 , Н/мм2,  см , Н/мм2,
вычисляют по формуле
 3  PN2  Px2 n    d 2  4 ,
(5.24)
 см  PN2  Px2 n  d  S  .
(5.25)
При тех же допущениях, что и для швов с простым нагружением,
потребные соотношения между диаметром заклепок d, мм, и толщиной листа
 , мм, аналогичны и вычисляют по формуле
d  2,5   ,
(5.26)
  0,4  d .
(5.27)
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Условие же равнопрочности при смятии заклепки и при срезе листа по
нормали к шву будет другим. Условие прочности при смятии заклепки
вычисляют по формуле
1,5   см  PN2  Px2 n  d  S  .
(5.28)
Условие прочности при срезе перемычки между отверстием и краем
листа вычисляют по формуле
0,7   В  PN 2n  a  d 2    .
(5.29)
Из условия равнопрочности с учетом (5.1.28) и (5.1.29) величину а, мм,
вычисляют по формуле
а  d  0,5  1,07

2
1  Px PN   .

(5.30)
Потребный шаг заклепок определяется из условия равнопрочности при
смятии под действием силы
PN2  P2
и разрушения перемычки между
отверстиями под действием срезающей силы Р и нормальной силы РN
вычисляют по формулам
PN2  Px2 1,5  n  d     PN2  4Px2 n  t  d     ,


2
2
t  d 1  1,5 1  4Px PN  1  Px PN   .


(5.31)
(5.32)
Если на ширине соединения L не умещается в один ряд потребное
количество заклепок с потребным шагом, то следует переходить на
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
двухрядный шов в шахматном порядке, выдвигая половину заклепок во
второй ряд на расстояние h. Для определения размера h так же, как и для
швов с простым нагружением, используется условие равнопрочности по
линиям abc и ac, но с одновременным нагружением силами
Р и
РN.
Объединяя обе схемы нагружения, получаем выражения для нормальных  ,
Н/мм2, и касательных  , Н/мм2, напряжений на гранях треугольного элемента,
которые вычисляют по формуле
  PN  cos   Px  sin   n  h sin    d     ,
(5.33)
  PN  sin   Px  cos   n  h sin    d     .
(5.34)
Приведенные напряжения  пр ас  , Н/мм2, на грани ac вычисляют по
формуле
 пр ас   2 n  2t  d     PN2  4P2 .
(5.35)
Из условия равнопрочности по линиям abc и ac с учетом формул
(5.33)–(4.35) получаем уравнения для определения потребного соотношения
h/t при известных величинах d/t и Р /РN, вычисляют по формуле
d

2  
t

2
2

h P 
P h
h
1      4     2 1   
t
 PN t 
 t PN 
2
2


 1   h   d   1  4 P
P

t
t
 N


2

 .

(5.36)
Необходимо рассчитать и сконструировать заклепочное соединение
стыкового шпангоута (толщина пояса  шп ) с обшивкой толщиной  об ,
воспринимающей осевые нагрузки, которые возникают от изгибающего
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
момента  М и продольной силы  N , в соответствии с рисунком 4.7а.
Определить потребные размеры: d, t, аоб, ашп.
В случае необходимости перехода на двухрядный шов, в соответствии
с рисунком 5.7б, определить также размер h и соответствующее значение ашп.
Исходные данные представлены в таблице 5.1.
а
б
а — схема нагружения шпангоута; б — однорядный шов;
Рисунок 5.7, лист 1 — Заклепочное соединение стыкового шпангоута
корпуса
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в
в — двухрядный шов.
Рисунок 5.7, лист 2
Таблица 5.1 — Исходные данные
№
Вар
.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
D,
мм
300
300
300
300
300
300
400
400
400
400
400
400
500
500
500
500
500
500
Мизг,
(Н  м)
10-2
50
75
100
125
150
175
70
105
140
175
210
245
100
150
200
250
300
3500
N,
Н  10-2
 шп ,
 об ,
мм
мм
250
375
500
625
750
875
500
750
1000
1250
1500
1750
800
1000
1500
1750
2000
2250
2
2,2
2,5
2,8
3
3,2
1,5
1,6
1,8
1,9
2
2,5
2
2,3
2,5
2,8
3
3,2
1
1,5
2
2,2
2,5
2,8
0,8
1,2
1,5
1,6
1,8
2
0,8
1,1
1,2
1,4
1,5
1,8
Материал и его прочность при расчетной t0C
Обшивка
Шпангоут
Заклепки
Al
сплав
 Bt 
 Bt
 350 Н / мм 2
 320 Н / мм 2
Титан
Al
сплав

Титан
 Bt
Al
сплав

 300 Н / мм 2
Титан
 Bt 
 Bt 
 Bt 
 800 Н / мм 2
 850 Н / мм 2
 700 Н / мм 2
Сталь

Сталь

Сталь
 Bt 
 Bt
 1000 Н / мм 2  1050 Н / мм 2
79
 Bt
 1100 Н / мм 2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2 Соединение с помощью контактной сварки
Основными
видами
контактной
сварки,
применяемыми
при
производстве ЛА, являются точечная и роликовая (шовная).
В процессе точечной сварки должны быть обеспечены как сжатие
свариваемых деталей в точке сварки, так и проход тока через точку.
Наиболее технологична (поэтому и наиболее распространена) сварка двумя
электродами с двусторонним подводом тока, в соответствии с рисунком 5.8.
Для использования этого приема при конструировании необходимо
обеспечить двусторонний подход электродов к месту сварки.
Рисунок 5.8 — Схема точечной сварки с двусторонним подводом тока
Определяемыми размерами сварного шва являются:
- диаметр литого ядра (диаметр точки) или ширина литой зоны d;
- ширина нахлеста N;
- расстояние между точками в ряду — шаг tТ, в соответствии с
рисунком 5.9.
Рисунок 5.9, лист 1 — Геометрические характеристики точечного сварного
шва
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 5.9, лист 2
Нахлест определяют по плоской части сопрягаемых деталей без учета
их изгиба. Диаметр точки сварки d выбирается в зависимости от материала
свариваемых деталей и их толщин по справочным табличным данным,
которые являются обобщением экспериментальных исследований. Для
быстрой оценки в процессе конструирования можно воспользоваться
ориентировочной зависимостью между величинами d и tТ и меньшей
толщиной  min свариваемых деталей, которую вычисляют по формуле
d  1,4 
 0,01t
2
T

 tT   min  0,1tT .
(5.37)
Ширину нахлеста N , мм, вычисляют по формуле
N  4d .
(5.38)
Диаметр электрода d э , мм, выбирают из соотношения
d э  1  1, 25  d .
81
(5.39)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разрушающее усилие среза Pt  P  на точку сварки также находится по
справочным данным, но для приближенных оценок его можно определить из
условия прочности точки сварки на срез  В  0  , Н/мм2, вычисляемую по
формуле
 В 0  РТ( Р )    d 2 / 4 ,
(5.40)
где  В 0  0,7 В 0 — предел прочности конструкционного материала на
срез.
Необходимо рассчитать и сконструировать
соединение точечной
электросваркой стыкового шпангоута (толщина пояса  шп ) с обшивкой
толщиной  об , воспринимающей осевые нагрузки, которые возникают от
изгибающего момента  М и продольной силы  N , в соответствии с
рисунком 5.7 а. Определить потребные размеры: d, t, аоб, ашп.
В случае необходимости перехода на двухрядный шов, в соответствии
с рисунком 5.7 б, определить также размер h и соответствующее значение
ашп. Исходные данные представлены в таблице 5.1.
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6 Разъемные соединения
6.1 Соединения силовых элементов оболочки корпуса
Разъемные соединения силовых элементов оболочки используются при
наземном обслуживании ЛА для доступа к бортовому оборудованию, его
монтажа и демонтажа, в соответствии с рисунком 6.1.
Рисунок 6.1 — Взаимозависимость габаритов разъемного соединения
корпуса и аппаратуры
Такое соединение называется многоточечным. Схема нагружения
разъемного соединения представлена в соответствии с рисунком 6.2.
Максимальную продольную нагрузку на одну точку от Мизг и N
(шпильку, болт и т.д.) находят в предположении, что точки в сжатой зоне
работают так же, как и в растянутой зоне (т.е. без учета прижима по
контуру). Максимальную нормальную распределенную нагрузку на обшивку
в зоне стыка qmax, Н, вычисляют по формуле
qmax  М изг. W   N F    об ,
83
(6.1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где
W    D 2   об 4 — момент
сопротивления
обшивки
общему
изгибу, м3;
F    D   об — площадь поперечного сечения обшивки отсека
корпуса, мм2.
Рисунок 6.2 — Схема нагружения разъемного соединения корпуса ЛА
Если подставить величины в формулу (6.1), то максимальную
нормальную распределенную нагрузку на обшивку в зоне стыка qmax, Н,
вычисляют по формуле


qmax  4 М изг   D2    N   D  .
(6.2)
Каждая из точек стыка «обслуживает» свой участок обшивки l , в
соответствии с рисунком 6.2, воспринимая максимальную силу Рт, Н,
которую вычисляют по формуле
РТ  qmax  l  4  М изг
84
 D  nт     N
nт  .
(6.3)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сосредоточенные силы РТ нужно передать на обшивку, в соответствии
с рисунком 6.3.
Рисунок 6.3 — Схема уравновешивания силы РТ
В соответствии с правилами передачи сосредоточенных сил на тонкую
оболочку
находят
соответствующий
набор
силовых
элементов,
в
соответствии с рисунком 6.4.
1 — обшивка; 2 — балка; 3 — шпангоуты.
Рисунок 6.4 — Конструктивная схема точечного соединения
Основная роль в передаче силы Рт на обшивку принадлежит поясу,
поэтому его потребные размеры в первом приближении можно определить из
условия изолированной работы пояса при передаче силы Рт на обшивку, в
соответствии с рисунком 6.5.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 — стенка; 2 — обшивка; 3 — пояса.
Рисунок 6.5 — Конструкция рядового сечения стыкового шпангоута с
усеченной силовой схемой
Причем, эта полка нагружена равными силами
Рт и уравновешена
постоянной распределенной нагрузкой q  Pт / t т , в соответствии с рисунком
6.6. Принимают также, что силы Рт приложены в одной точке.
Рисунок 6.6 — Схема нагружения стыкового шпангоута
max
 1 12  qб  tТ2 . Напряжение в полке от изгиба
При таком нагружении М изг
в своей плоскости  , Н/мм2, вычисляют по формуле
max
  М изг
. W ,
где W   n  l 2   , м3.
86
(6.4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из условия равенства действующих и разрушающих напряжений
величину l, м, вычисляют по формуле
l
 Рт  tт   2   n   р  ,
(6.5)
где  p  k уст   В — разрушающее напряжение в поясе с учетом
возможности потери устойчивости между точками крепления к обшивке (по
статистике при  п  1,5 м , k уст  0,7 ; при  п  2,5 м , k уст  0,9 ).
При определении величины l по формуле (6.5) значение:
-  п можно выбирать из технологических соображений от 1,5 до 2,5 мм;
- шаг tn помимо прочности стыка должен обеспечивать достаточную
жесткость
во
избежании
разгерметизации
при
деформациях.
По
статистическим данным t n  200 мм. Если же уменьшение tn приводит к
неприемлемому
для
эксплуатации
большому
количеству
элементов
крепления (болтов), то усилить шпангоут можно восстановлением правого
шпангоута в соответствии с рисунком 6.7. Для этого случая можно
воспользоваться формулой, аналогичной
(6.5), с учетом в W площади
сечения правого шпангоута. При этом в левый шпангоут можно включать от
стенки такую же площадь.
Рисунок 6.7 — Силовая схема шпангоута с восстановленным правым
шпангоутом
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В случае монолитной конструкции (литье, штамповка) порядок расчета
аналогичный. Отличие состоит в том, что в толщину пояса
 п нужно
включать избыточную, обусловленную технологией, толщину обшивки, в
соответствии с рисунком 6.8.
Рисунок 6.8 — Стыковой шпангоут в монолитной конструкции
В случае наборной конструкции необходима заделка пояса шпангоута в
обшивке. Заделку можно реализовать в виде непрерывного сварного шва, в
этом случае прочность шва
не проверяется. Необходимо лишь учесть
уменьшение прочности материала оболочки в зоне сварки. При дискретной
заделке шпангоута в обшивке (точечная сварка, заклепки) шаг шва
выбирается из условия прочности и отсутствия выпучивания обшивки
(хлопунов) между точками крепления. Последнее условие по статистическим
данным выполняется при t 3  20 мм, в соответствии с рисунком 6.9.
Рисунок 6.9 — Нагружение дискретной заделки стыкового шпангоута
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Срезающую силу на точку сварки (заклепку) Рз, Н, вычисляют по
формуле
Р3  q  t 3 .
(6.6)
Алгоритм конструирования стенки стыкового шпангоута ведется в
следующей последовательности:
а) определяют потребную высоту стенки hш, в соответствии с рисунком
6.10, из условия обеспечения потребного проходного сечения для установки
грузов и одновременно из условия обеспечения места для установки
элементов крепления (шпилек, гаек) и элементов герметизации стыка, в
соответствии с рисунком 6.11.
Рисунок 6.10 — Сечение стыкового шпангоута по шпильке
Рисунок 6.11 — Сечение стыкового шпангоута в промежутке между
шпильками
Высота hш при выполнении этих требований должна быть минимально
возможной.
Практически
это
достигается
89
графической
проработкой
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
конструкции стыка. Расчетная схема определяется работой шпангоута при
передаче перерезывающей силы Q, действующей на корпус. Эту силу через
стык можно передавать специальным посадочным пояском (для малых
диаметров) или через элементы крепления (болты, шпильки).
Расчетная схема представлена в соответствии с рисунком 6.12.
Рисунок 6.12 — Расчетная схема стыкового шпангоута, нагруженного силой
Q в двух точках
Используя эту схему, по справочнику возможно найти значения всех
компонентов нагрузки (Мизг, N, Q) по всем сечениям шпангоута. При
проверке сечения шпангоута на прочность учитываем, что передает силу Q в
основном стенка, поэтому в проектировочном расчете участие пояса можно
не учитывать, и вычисляют действующие напряжения от изгиба шпангоута
 , Н/мм , по формуле
2
   М изг. W   k уст   В ,
(6.7)
где W   ш  hш2   , м3;
kуст — коэффициент,
учитывающий
возможность
потери
устойчивости при сжатии свободного края шпангоута (по статистике  ш  2 м,
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
k уст  0,5 ). В данном случае не учитывается нормальная сила N, т.к. основную
роль играет Мизг, и в сечении Мизг N = 0;
шп
б) проверяют стенку на сдвиг. Максимальную срезающую силу Qmax
, Н,
при схеме нагружения, в соответствии с рисунком 6.12, вычисляют по
формуле
шп
Qmax
 Q 4.
(6.8)
Если не удовлетворяется условие прочности на изгиб, то следует
увеличить  ш или внутренний пояс шпангоута, что выгоднее по массе. Если
не удовлетворяется условие прочности на срез стенки, то необходимо
увеличить  шп .
Необходимо рассчитать и сконструировать «рядовые» (под «рядовым»
понимается сечение, форма которого определяется без учета необходимости
размещения в нем соединительных элементов (шпилек, гаек) с наружным
подходом к ним, а также элементов герметизации, в соответствии с рисунком
6.5.
Проработка
«рядового»
сечения
является
первым
этапом
конструирования. Далее на основе этого сечения формируется «узловое»
сечение для мест установки соединительных элементов) сечения. Исходные
данные представлены в таблице 6.1.
Таблица 6.1 — Исходные данные
№
вар.
Вар.
ОКТР
Мизг,
(Н  м)  10-2
300
N,
Н  10-2
D, мм
400 500
300
Q,
Н  10-2
D, мм
400 500
300
D, мм
400 500
Расчетн. темпер.
конструкции,
0
С
D, мм
300 400 500
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1
2
3
4
5
6
Al
лист
и
проф.
ТП
сварка
50
60
70
80
90
100
50
52
55
57
60
62
100
130
140
145
125
150
110
120
130
140
150
160
55
57
59
61
63
65
110
115
120
130
125
113
140
130
200
230
260
290
140
143
146
149
152
155
280
310
330
340
300
285
150
150
150
150
150
150
180
180
180
180
180
180
175
175
175
175
175
175
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение таблицы 6.1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
7
8
9
Al
лист
и
проф.
ТП
литье
Ti
лист
и
проф.
ТП
сварка
Ti
сплав
ТП
литье
110
120
130
65
67
70
120
135
140
170
180
190
67
70
72
130
120
135
320
350
381
158
161
163
310
315
341
150
150
150
180
180
180
175
175
175
140
150
160
170
180
190
200
210
220
52
55
57
60
62
65
67
70
72
130
120
115
140
145
150
110
115
123
200
210
220
230
240
250
260
270
280
57
59
61
63
65
67
70
70
75
120
115
118
150
155
160
105
110
124
410
440
470
500
530
560
590
680
650
143
146
149
152
155
158
161
163
165
320
300
295
340
350
360
305
320
315
350
350
350
350
350
350
350
350
350
400
400
400
400
400
400
400
400
400
380
380
380
380
380
380
380
380
380
10
11
12
13
14
15
16
17
18
6.2 Соединение консолей крыла с корпусом
Узлы
соединения
консолей
безмоментные (шарнирные),
с
корпусом
можно
разделить на
воспринимающие только перерезывающую
силу от консоли, и моментные, воспринимающие как перерезывающую силу,
так и момент.
6.2.1
Ушковый
моментный
узел
с
наружными
крыльевыми
проушинами
Схема нагружения узла одноболтового соединения представлена в
соответствии с рисунком 6.13.
Конструкцию узла определяют размеры: Вк, Вф, Dпк, Dпф, dб, Sк, Sф.
Четыре из этих семи размеров попарно связаны между собой. Это площади
поперечных сечений перемычек проушин, в которых возникают нормальные
и касательные напряжения. Эти площади должны относиться между собой,
как пределы прочности на разрыв, Sк, Sф, мм2, вычисляют по формуле
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Sк 
 D
к
n
 dб  2   В  В  ,

(6.9)

(6.10)

Sф   Dnф  dб  2   В  В  .
Учитывая соотношение  В /  В  0,7 , имеем


(6.11)


(6.12)
S к  0,715  Dnк  d б ,
S ф  0,715  Dnф  d б .
Таким образом, задача определения размеров стыкового узла свелась к
нахождению пяти неизвестных размеров: Вк, Вф, Dпк, Dпф,
dб. Для этого
используют условие прочности:
а) на разрыв проушины крыла;
б) на смятие проушины крыла под болтом;
в) на разрыв проушины корпуса;
г) на смятие проушины корпуса под болтом;
д) на сложное нагружение болта.
Считаем,
что
давление
в
проушине
распределено
по
закону
треугольника. В соответствии с этим силу в проушине крыла Рпк , Н,
вычисляют по формуле
Рпк  М изг.  с   4 3  Вк  .
(6.13)
Изгибающий момент в проушине М пк , Н  м, вычисляют по формуле

М пк   Вк 6   Рпк   Вк 6   М к
93
 с   4 3  В   .
к
(6.14)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.13 — Расчетная схема ушкового моментного узла с наружными крыльевыми проушинами
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нормальное напряжение в сечении проушины крыла  К , Н/мм2, от
действия силы Рпк и момента М пк вычисляют по формуле

 К    М пк 
 D
к
n
 dб   Вк2
   Р  D
к
п
к
n
 dб   Вк
 .
(6.15)
Напряжение смятия в проушине  смК , Н/мм2, вычисляют по формуле
К
 см
 2Рпк  dб  Вк   2М изг.
  с   4 3  В   d
к
б

 Вк .
(6.16)
Условия прочности проушины крыла на разрыв и смятие под болтом
 ВК , Н/мм ,вычисляют по формуле
2

(6.17)
k см   ВК  2М изг  с  4 3  Вк   d б  Вк  ,
(6.18)
 ВК  2М изг
  с   4 3  В    D
к
к
п
 dб   Вк ,
где kсм — коэффициент увеличения разрушающего разрушения на
смятие по сравнению с  В (для неподвижных соединений kсм=2).
Условия прочности для проушин корпуса  Вф , Н/мм2, вычисляют по
формуле
 Вф  2М  с  2  Вк  2 3  Вф  Dn  d б  ,
(6.19)
k см   Вф  2М  с  2  Вк  2 3  Вф  d б  Вф  .
(6.20)
В условиях прочности учитывают изгиб и срез болта. Максимальные
напряжения от изгиба и сдвига возникают в разных сечениях болта (сечение
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В, А, в соответствии с рисунком 6.13). Максимальный изгибающий момент
болта в сечении В М Вmax , Н  м, вычисляют по формуле
М Вmax
 Вк / 3  Вф
2



 с  4 / 3Вк 3с  2 Вк  2 / 3Вф 
 М изг 

с  2 Вк  2 / 3Вф
1
2
 

   3с  2 В  2 / 3В   3с  4 / 3В    Вф  1 
с  4 / 3Вк
к
ф
к 
 



.



(6.21)
Напряжение изгиба болта в сечении В с учетом пластичности (kпл=2)
B
, Н/мм , вычисляют по формуле
 max
2
B
 max
 М Вmax 0,1  d б3  k пл  .
(6.22)
A
Касательные напряжения в сечении А-А  max
, Н/мм2, вычисляют по
формуле
с  4 3  В     d 4.
A
 max
 РпК Fб  М изг
2
б
к
(6.23)
Максимальные нормальные и касательные напряжения возникают в
разных сечениях болта. Определяющим для болта является максимальное
касательное напряжение. Условие прочности болта вычисляют 0,7 ВБ , Н/мм2,
по формуле
0,7 ВБ  4М изг
с  4 3  В     d  .
к
2
б
(6.24)
Уравнения (6.17)–(6.20) и (6.24) составляют систему, с помощью
которой возможно определить искомые пять размеров стыкового узла.
Система решается с помощью последовательных подстановок. Из формулы
(6.20) диаметр болта d б , мм, вычисляют по формуле
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
d б  2М изг

DnK  d б  2М изг
Вф 
с  4 3  В   В
к
с  4 3  В   В
к
к
к

 k см   ВК ,
(6.25)

  ВК  d б  1  k см  ,
с  2Вк d б  k см   Вф  с  2Вк d б  k см   Вф   4  2 / 3d б  k см   вф  М изг
2  2 / 3d б  k см   Вф
Если
дискриминант
оказывается
отрицательным,
(6.26)
.
то
(6.27)
это
свидетельствует о слиянии двух проушин корпуса. В этом случае следует
увеличить количество болтов и расчет повторить.
Аналогично рассчитывают диаметр проушин для фюзеляжа Dnф , мм, по
формуле

Dnф  d б  2М изг
с  2В  2 3  В  В
к
ф
ф

  Вф .
(6.28)
Из формулы (6.25) подстановкой (6.26) вычисляют значение Вк, мм, по
формуле
с  4 / 3Вк   Вк2  0,7     вБ  М изг 
k
см
  вк

2
.
(6.29)
Решаем это уравнение относительно Вк, мм, методом уточнения
Ньютона с помощью соотношения


х1  х0  f x0  f / x0  ,
где х1 — уточненное значение решения уравнения f(x)=0;
х0 — приближенное значение корня.
В качестве первого приближенного значения корня принимаем
97
(6.30)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»


ВК 0  М изг 2  с   Вк .
(6.31)
Уточненное значение ВК (пл) , мм, вычисляют по формуле
с  4 / 3В  В
К (п)
ВК ( пл)  ВК ( п ) 
2
К (п)

0,7     Вб  М изг
k
см
2  с  ВК ( п )  4  ВК2 ( п )
  ВК

2
.
(6.32)
Сильно нагруженные моментные стыковые узлы с одним стыковым
болтом могут оказаться перетяжеленными или вообще невыполнимыми из-за
сильного уменьшения строительных высот проушин крыла и особенно
корпуса. В этом случае целесообразно перейти на n-болтовое соединение, в
соответствии с рисунками 6.14, 6.15.
Рисунок 6.14 — Схема однорядного n-болтового соединения
а — n=4.
Рисунок 6.15, лист 1 — Схема двухрядного n-болтового соединения
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 — n=3.
Рисунок 6.15, лист 2
При наружном расположении корпусных проушин увеличивается
строительная высота узла, следовательно, облегчаются условия работы
проушин и уменьшается их масса. В то же время увеличивается длина болта,
а
следовательно
его
масса,
также
возрастает
аэродинамическое
сопротивление ЛА, если проушины выступают в потов, в соответствии с
рисунком 6.16(1). Для уменьшения аэродинамического сопротивления
корпусные проушины делаются утопленными в корпус, в соответствии с
рисунком 6.16(2). Для определения размеров элементов этого стыка можно
составить такой же алгоритм, как и для предыдущего стыка.
а — с выходом в поток.
Рисунок 6.16, лист 1 — Варианты ушкового соединения с наружными
корпусными проушинами
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б — без выхода в поток.
Рисунок 6.16, лист 2
Необходимо рассчитать и сконструировать ушковые соединения крыла
и корпуса с наружными крыльевыми проушинами для сечения А–А.
Исходные данные представлены в таблице 6.2 и в соответствии с рисунком
6.17.
Таблица 6.2 — Исходные данные
№
Вар.
Вариант
ОКТР
крыла
Толщина
обшивки
крыла  об , мм
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Al
лист и
профиль,
ТП-сварка
0,8
0,8
0,9
0,9
0,9
1,2
1,2
1,2
1,2
1
1
1
1
1
1,3
1,3
1,3
1,3
Al
лист и
профиль,
ТП-литье
Ti
лист и
профиль,
ТП-сварка
Ti
cgkfd,
ТП-литье
100
Расчетная
подъемная сила на
консоль Ук,
Н  10-2
60
75
90
105
120
135
150
165
180
65
80
95
110
125
140
155
170
185
Расчетная
температура
конструкции, 0С
150
150
150
150
150
180
180
180
180
350
350
350
350
350
370
370
370
370
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.17 — Геометрические характеристики крыла с лучевой силовой
схемой
6.2.2 Фланцевый моментный узел
Увеличить строительную высоту узла крепления и одновременно
упростить технологию сборки позволяет применение фланцевого крепления
крыла к корпусу, в соответствии с рисунком 6.18.
Однако в этой конструкции возникают большие местные изгибающие
моменты на ушках фланца крыла, что обуславливает дополнительную массу
фланца. Аналогично увеличивается масса ответного узла на шпангоуте из-за
усложнения его формы при
уплотнении фланца крыла в конструкцию
корпуса (во избежание выступов элементов узла в набегающий поток).
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 6.18 — Расчетная схема фланцевого моментного узла крепления крыла к корпусу
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основным рабочим элементом узла со стороны крыла является
подошва фланца вместе с ребрами для повышения изгибной жесткости
подошвы. Одно из отверстий фланца выполняется для плотного соединения
со шпилькой при передаче перерезывающей силы Q, второе — с зазором.
Принимаем, что диаметр гайки равен двум диаметрам шпильки, а
приемлемый зазор под ключ между гайкой и поверхностью крыла равен двум
миллиметрам.
В результате, потребную базу между осями шпилек Нш, мм, вычисляют
по формуле
Н ш  с  2d ш  4 .
(6.33)
Максимальный изгибающий момент, действующий на подошву
ф
фланца, М изг
, Н  м, вычисляют по формуле
ф
М изг
 Рш d ш  2  М изг  d ш  2 с  2d ш  4 .
(6.34)
Условие прочности материала фланца  ВК , Н/мм2, вычисляют по
формуле
 ВК  М изг Wфл  d ш  2 с  2d ш  4  Q Bn  hф  ,
(6.35)
где Wфл — момент сопротивления изгибу максимально нагруженного
сечения фланца, м3.
При расчете будем считать, что перерезывающую силу Q с фланца на
шпильку передает только подошва фланца. Шпильки в данном случае
работают одновременно на отрыв, изгиб и срез, но определяющей нагрузкой
для шпильки, как правило, являются отрыв и изгиб. При передаче Q на
шпильку так же, как и в предыдущем случае, принимаем, что давление в
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
отверстии распределяется по треугольнику, тогда плечо изгиба силы Q для
шпильки будет равно 1/3hф.
Условие прочности материала шпильки  ВШ , Н/мм2, вычисляют по
формуле


 ВШ   М изг  Н ш  Fш     Q  hф  3Wш ,
(6.36)
где Wш — момент сопротивления изгибу, мм3, вычисляют по формуле
Wш  0,1d ш  2р  ;
3
(6.37)
Fш — площадь поперечного сечения шпильки по внутреннему
диаметру резьбы, мм2, вычисляют по формуле
Fш   4    dш  2р  ,
2
(6.38)
где р — высота витка резьбы.
Используя формулы (6.36) и (6.37), возможно определить два
важнейших параметра фланцевого узла:
- потребный диаметр шпильки dш;
- потребный момент сопротивления изгибу фланца Wфл.
Потребный диаметр шпильки dш, мм, вычисляют по формуле
d шk 1  2р 
4М изг
 с  2d ш( к )  4  ВШ

Q  hф
0,3 d ш( к )  2р
.
(6.39)

3
За нулевое приближение можно взять dш б  , мм, вычисляют по формуле
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
dш б  
 0,8  4  М изг    с   ВШ  .
(6.40)
Толщину подошвы hф необходимо предварительно определить из
условия среза подошвы под действием силы Рш. При этом считаем, что срез
подошвы происходит по обе стороны гайки, причем в работу включается
ширина, равная двум диаметрам шпильки.
Условие прочности на срез 0, 7 ВК , Н/мм2, вычисляют по формуле
0,7 ВК  Рш
 2h
ф
 2d ш  .
(6.41)
Продольную силу, действующую на шпильку Рш , Н, вычисляют по
формуле
Рш   0,8М изг  с .
(6.42)
В результате, после упрощений толщину подошвы hф, мм, вычисляют
по формуле
с    .
(6.43)
Ширина подошвы фланца принимается равной
ширине пояса
hф  М изг
3
К
В
 с  М изг
К
В
лонжерона.
Необходимо рассчитать и сконструировать фланцевые соединения
крыла и корпуса с наружными крыльевыми проушинами для сечения А–А.
Исходные данные представлены в таблице 6.3 и в соответствии с рисунком
6.19.
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6.3 — Исходные данные
№
Вар.
Вариант
ОКТР
крыла
Толщина
обшивки
крыла  об , мм
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Al
лист и
профиль,
ТП-сварка
0,8
0,8
0,9
0,9
0,9
1,2
1,2
1,2
1,2
1
1
1
1
1
1,3
1,3
1,3
1,3
Al
лист и
профиль,
ТП-литье
Ti
лист и
профиль,
ТП-сварка
Ti
сплав,
ТП-литье
Расчетная
подъемная сила на
консоль Ук
Н  10-2
60
75
90
105
120
135
150
165
180
65
80
95
110
125
140
155
170
185
Расчетная
температура
конструкции, 0С
150
150
150
150
150
180
180
180
180
350
350
350
350
350
370
370
370
370
Рисунок 6.19 — Геометрические характеристики крыла с лучевой силовой
схемой
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7 Узлы кинематической цепи механизмов управления
Одними из типичных элементов цепи механизмов управления
являются
однопролетные
тяги
трубчатого
сечения,
работающие
на
растяжение–сжатие. Считают, что концы тяги оперты шарнирно, в
соответствии с рисунком 7.1.
Рисунок 7.1 — Расчетная схема однопролетной тяги, работающей на сжатие
Определяющей формой разрушения в данном случае является потеря
устойчивости при сжатии. Критическая сила общей потери устойчивости
тяги постоянна по длине поперечного сечения Ркр , Н, которую вычисляют по
формуле


Ркр  k3  Рпр  1    1     2  ,
(7.1)
где   Рпр Ркр  8  L2   D      B   2  E  D3  ;
Ркр — Эйлерова критическая
сила (при работе
в пределах
пропорциональности), Н, вычисляют по формуле
Ркр    Е  J  L2 ;
107
(7.2)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рпр — сила разрушающая материал, Н, вычисляют по формуле
Рпр  F   B ;
(7.3)
F — площадь поперечного сечения, мм2;
Е — модуль упругости конструкционного материала, МПа;
 В — временное сопротивление конструкционного материала,
Н/мм2;
J — момент инерции поперечного сечения тяги, м4, вычисляют по
формуле
J      D3  8 ;
(7.4)
k3 — коэффициент, учитывающий ослабление тяги за счет меньшей
жесткости концевых частей, k3=0,95;
L – длина тяги, мм.
Условие отсутствия общей и местной потери устойчивости РТ , Н,
вычисляют по формуле


РТ  k3    D        B  1    D,   1    D,    2  D,    ,
(7.5)
где РТ — действующая на тягу сжимающая расчетная сила, Н.
При малой толщине стенки  и больших диаметрах D может возникать
местная потеря устойчивости стенок. Условие работоспособности тяги при
этом виде разрушения вычисляют по формуле


РТ  Рпр  1  м  D,    1  м  D,    м2  D,    ,
(7.6)
м ( D,  )  Рпр Ркрэ . м    D      B   0,6  E    ,
(7.7)
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Pкрэ . м — Эйлерова критическая сила, вызывающая местную потерю
устойчивости стенки, Н, вычисляют по формуле
Pкрэ . м   0,3Е   Rcp     0,6    Е   2 .
(7.8)
Формулы (7.5) и (7.6) составляют систему относительно двух
неизвестных: 
и D. Решая данную систему, возможно определить
оптимальные значения  опт и Dопт, обеспечивающие минимум массы
трубчатой части тяги.
Как показывают расчеты, такие решения обычно соответствуют
большим значениям D и очень малой толщины
 , которые оказываются
неприемлемыми ни по внутренней компоновке ЛА, ни по технологическим
ограничениям на толщину используемых труб. Поэтому, как правило,
диаметр тяги, D задается с учетом возможностей внутренней компоновки, а
потребная толщина
 определяется решением уравнения (7.5). Если при
этом полученная  оказывается меньше технологически допустимой, то
можно уменьшить D и определить новое потребное значение  и т.д.
Необходимо рассчитать потребные размеры трубы 
и D для
однопролетной тяги, работающей на растяжение и сжатие (  РТ ) из условия
равенства общей и местной устойчивости, в соответствии с рисунком 7.1.
Исходные данные представлены в таблице 7.1.
Таблица 7.1 — Исходные данные
№
Варианта
L, мм
РТ, Н  10-2
1
2
3
1
2
3
4
5
6
500
500
500
500
500
500
90
100
110
120
130
140
Конструкционный материал и его механические
характеристики
4
Al сплав
 В  420 Н / мм 2
Е  0,7  10 7 Н / мм 2
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение таблицы 7.1
1
2
3
4
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
750
750
750
750
750
750
1000
1000
1000
1000
1000
1000
90
100
110
120
130
140
90
100
110
120
130
140
Титан
 В  1100 Н / мм 2
Алгоритм для
определения
Е  1  10 7 Н / мм 2
Сталь
 В  900 Н / мм 2
Е  2  10 7 Н / мм 2
потребных
размеров
деталей
узла
соединения тяги с рычагом поворота руля.
1. Потребными размерами деталей узла, в соответствии с рисунком 7.2
являются:
- диаметр болта dб;
- наружный диаметр подшипника Dп;
- ширина узла тяги Dт;
- толщина ушка тяги  т;
- наружный диаметр ушка рычага Dр;
- толщина ушка рычага  р.
2. Возможные формы разрушения в данном случае следующие:
- срез болта (напряжение  Б );
- смятие материала болта под ушком тяги (напряжение  смБ );
- смятие материала ушка тяги под болтом (напряжение  смТ );
- разрыв ушка тяги по перемычке аТ (напряжение  Тр );
- срез перемычки ушка тяги SТ (напряжение  срТ );
- разрыв ушка рычага (напряжение  рр );
- срез перемычки ушка рычага (напряжение  срР ).
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.2 — Расчетная схема соединения тяги с рычагом
3. Соответствующие условия работоспособности входящих деталей
вычисляют из соотношений
 дБ   рБ ,
Б
Б
 см
.д   см. р ,
(7.9)
(7.10)
Т
Т
 см
.д   см. р ,
(7.11)
 срТ .д   срТ . р ,
(7.12)
 Тр.д   рР. р ,
(7.13)
 рР.д   рР. р ,
(7.14)
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 срР .д   срР . р .
(7.15)
Для использования этой системы неравенств проведем анализ,
позволяющий составить соответствующие уравнения, из которых могут быть
определены указанные выше неизвестные размеры. Целью такого анализа
является выяснение возможности замены неравенств соответствующими
равенствами.
Прежде всего, можно и целесообразно выделить неравенство (7.9), т.к.
оно содержит одно неизвестное dб. Подставив соответствующие выражения
в правую и левую части, предел прочности материала болта 0, 7 ВБ , Н/мм2,
вычисляют по формуле
  d
0,7 ВБ  4РТ
2
Б
 п ,
(7.16)
где п — число плоскостей среза болта, в данном случае равно двум.
Из формулы (7.16) диаметр болта d Б , мм, вычисляют по формуле
d Б  0,95 РТ
 п   .
Б
В
(7.17)
Полученное значения диаметра болта по формуле (7.17) округляют до
ближайшего большего стандартного значения, которое и принимается.
Из условий (7.10) и (7.11) следует, что в них входит один и тот же
неизвестный размер  т. Если учесть, что материал болта, как правило,
прочнее чем материал ушка тяги, то возможно утверждать, что выполнение
условия (7.11) заведомо обеспечивает выполнение условия (7.10). В связи с
этим, условие (7.10) можно исключить из рассмотрения, а условие (7.11)
заменить соответствующим уравнением
kсм   ВТ  РТ
112
 d Б  Т  п  ,
(7.18)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где kсм — коэффициент допустимого смятия, для неподвижных
соединений kсм=1–1,5, для малоподвижных kсм=0,5–0,65, для подвижных
kсм=0,2–0,4.
Принимая в данном случае kсм=0,4, в соответствии с формулой (7.18)
вычисляют толщину ушка тяги  Т , мм, по формуле
 d
Т  1, 25  РТ
Б

  ВТ  .
(7.19)
Заменив условие (7.13) равенством, получают уравнение с одним
неизвестным Dт, предел прочности материала тяги  ВТ , Н/мм2, вычисляют
по формуле
 ВТ  kK
 D
T
 d Б   Т  ,
(7.20)
где kК — коэффициент концентрации напряжений, для переменной
циклической нагрузки kК=2,5.
Из выражения (7.20) ширину узла тяги DT , мм, вычисляют по формуле


DT  d Б   2,5РТ  Т   ВТ  .
(7.21)
Заменив условие (7.14) равенством, получают уравнение с одним
неизвестным SТ, предел прочности материала тяги 0, 7 ВТ , , Н/мм2 вычисляют
по формуле
0,7 ВТ   kK  PT   2  ST  Т  ,
 
ST  1,8 РТ
113
Т

  ВТ  .
(7.22)
(7.23)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В результате, все размеры ушков тяги определены, и возможно перейти
к определению размеров ушка рычага.
Под диаметр болта dб и силу РТ следует подобрать соответствующий
стандартный подшипник. Ширина наружной обоймы этого подшипника
определит и ширину ушка рычага  р. При определении размеров и формы
ушка рычага в плане следует учесть, что направление действующей на него
силы
РТ при отклонениях руля изменяется. Это означает, что условие
прочности по срезу перемычки должно выполняться для всех возможных
углов отклонения руля. Обеспечить это с некоторым запасом прочности
можно с помощью концентрического обвода с перемычкой, работающей на
срез, размеры которой определяются из условия
(7.15). В связи с
вышеизложенным, предел прочности материала рычага 0, 7 ВР , Н/мм2,
вычисляют по формуле
0,7 ВР  РТ
 2   D
р
 
Dp  Dn  0,7 РТ
p
р

(7.24)
  ВР  ,
(7.25)
 Dn  ,

где Dn — наружный диаметр подшипника, мм.
Необходимо Рассчитать и сконструировать соединения тяги с рычагом,
в соответствии с рисунком 7.2, по исходным данным представленных в
соответствии с таблицей 7.1. наружный диаметр подшипника
Dn=20 мм.
Характеристики материала для законцовки тяги и рычага те же, что и для
материала
трубы.
Материал
соединительного
болта
–
30ХГСА
при
заданной
(  В  1200 10 Н / мм2 ).
Для
определения
расчетных
нагрузок
на
руль
управляющей силе Yp воспользуемся предположением о том, что сила Yp
может быть реализована на любой скорости полета в заданном диапазоне от
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дозвуковой до сверхзвуковой ( М  >2) за счет угла отклонения руля. В
соответствии с этим шарнирный момент М ш , Н  м, вычисляют по формуле
М ш  Y p x  d i  x p k дин ,
(7.26)
где xdi — расстояние от носка средней хорды руля до центра давления
(при дозвуковой скорости полета i=1 и сверхзвуковой скорости полета i=2),
мм, в соответствии с рисунком 7.3;
хр — расстояние от носка средней хорды руля до оси поворота
руля, мм;
kдин — коэффициент
динамичности
необходимую скорость перекладки,
руля,
учитывающий
в зависимости от потребного
быстродействия системы управления (kдин=1,5–3).
1,2 — центры давления руля при М   1 и М  >2; 3 — ось вращения руля;
4 — средняя хорда руля.
Рисунок 7.3 — Модель нагружения аэродинамического руля
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Шарнирный момент вычисляют по формуле (7.26) для i=1 и i=2, и
принимается большее по абсолютной величине значение. Схема нагружения
рулевого шпангоута представлена в соответствии с рисунками 7.4 и 7.5.
а
б
а — ЛА схемы «+»; б — ЛА схемы «х»
Рисунок 7.4 — Схема нагружения рулевого шпангоута
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.5 — Схема нагружения секции составного шпангоута рулевого
отсека
Если Мш передается от вала руля через рычаг, присоединяемый к валу
сквозным болтом, в соответствии с рисунком 7.6, то этот момент
воспринимается рычагом в виде пары сил РМ  , Н, вычисляемой по формуле
РМ   М ш р ,
(7.27)
где р — расстояние между центрами площадок опоры рычага на болт,
мм, а уравновешивается парой сил РТ , Н, в соответствии с формулой
РТ  М ш l p ,
где lp — плечо рычага, мм.
117
(7.28)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
а — конструкция привода вала руля; б — схема передачи нагрузки от рычага
к валу.
Рисунок 7.6 — Схема нагружения вала руля
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Возможны следующие формы разрушения вилки, в соответствии с
рисунком 7.7:
- разрушение вала от воздействия нормальных
и касательных
напряжение (сечение А–А);
- отрыв пластин вилки от валика под воздействием нормальных и
касательных напряжений (сечение Б–Б);
- срез перемычки руля по контуру пластин вилки;
- разрушение руля в сечении, ослабленном вырезом под пластины, по
боковым граням пластин (сечение В–В);
- разрушение руля в сечении по торцевым граням пластин (сечение
Г–Г);
- срез заклепок (болтов) крепления руля к вилке;
- смятие заклепок под соединяемыми элементами;
- смятие поверхностей отверстий под заклепками (болтами);
- разрыв и срез перемычек элементов между отверстиями под заклепки;
- срез перемычек элементов между отверстиями под заклепки и краем
элемента.
Первоначально необходимо определить размеры вала (D и d), т.к. они
прямо не зависят от других размеров. Условие прочности для сечения А–А
 экв , Н/мм , вычисляют по формуле
2
2
 экв   изг
 3 кр2   В ,
(7.29)
где  изг — максимальное нормальное напряжение от изгиба вала,
Н/мм2, вычисляют в соответствии с формулой для эквивалентного
напряжения по 4-ой теории прочности (Губерта–Мизеса)
 изг  М изг Wизг  М изг  32D  D 4  d 4  ;
119
(7.30)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.7 — Основные расчетные сечения узла крепления сплошного руля
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 кр — максимальное касательное напряжение от кручения (в
данном случае Мкр равен шарнирному моменту руля), Н/мм2, вычисляют по
формуле
 кр  М кр Wкр  М кр  16D  D 4  d 4  ;
(7.31)
 В — предел прочности материала вилки, Н/мм .
2
Для вала выгодно выбирать высокопрочный материал, т.к. это
уменьшает потребные габариты вала, а это в свою очередь дает возможность
использовать подшипники меньших размеров в корпусе, а также уменьшить
потребные вырезы в руле. Для оценки технологических возможностей
выполнения тонкостенных трубчатых частей деталей и согласования
размеров
вала
с
внутренним
диаметром
стандартного
подшипника
целесообразно оперировать вместо размеров D и d размерами   D  d / 2 и D.
Учитывая это, уравнение, соответствующее формуле
(7.29)  B2 , Н/мм2,
вычисляют по формуле

2
16 2 D 2  4М изг
 3М кр2

 D
2
4
 D  2 T 
  
4 2
2
B
.
(7.32)
Это уравнение содержит два неизвестных (D и  Т ), что определяет
неоднозначность решения. Возможны два решения:
1) ограничение
габаритов
корпуса
(шпангоута
на
котором
устанавливается руль) обуславливают использование подшипников с
некоторым максимальным заданным диаметром (наружным), что определяет
их внутренний диаметр, а следовательно, и максимальный наружный
диаметр вала. В результате уравнение
неизвестной
Т
(7.32) решается относительно
при заданном значении D. Если уравнение (7.32)
вещественного решения не имеет, то следует перейти к более прочному
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
конструкционному материалу, либо пересмотреть ограничения по
D в
сторону его увеличения;
2) из технологических соображений задается минимально допустимая
величина  Т . В результате уравнение (7.32) решается относительно
неизвестного D при заданном значении  Т . Под полученный таким образом
D подбирают соответствующие подшипники.
Далее возможно перейти к определению потребных размеров пластин
вилки.
Рассмотрим
конкретную
форму
пластин
в
плане
в
виде
прямоугольников, в соответствии с рисунком 7.8.
Рисунок 7.8 — К определению размеров пластин вилки узла крепления
руля
Толщина пластин (в корневом сечении) непосредственно связана с
прочностью, как пластин, так и руля, т.к. при c=const увеличение  п ведет к
уменьшению толщины перемычки руля  к . Зависимость,
определяемая
условием прочности на отрыв пластин от вала под совместным действием
нормальных и касательных напряжений (считаем, что заклепки на пластинах
устанавливаются в соответствии с рисунком 7.7), вычисляют в соответствии
с формулой
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 В  М изг  3М кр  с   п   b  n  d 3      n  ,
(7.33)
где Мизг и Мкр — изгибающий и крутящий (шарнирный) моменты в
корневом сечении руля, Н  м;
d3 — диаметр заклепок (болтов) крепления руля к вилке, мм;
п — количество заклепок в корневом ряду (п=2);
 — ширина зоны сечения пластин, не перекрываемых наружным
диаметром вала, мм.
Условие прочности руля в ослабленной вырезом зоне получим из
анализа работы руля в этой зоне. Для тонких рулевых поверхностей толщина
остается после выреза перемычки  к обычно мала и не может играть
заметной роли в изгибе руля. Поэтому есть все основания считать, что
передача всех компонентов нагрузок от руля на вилку осуществляется срезом
перемычки  к по незамкнутому контуру выреза. Силу руля Yp приложим в
центре площади среза перемычки  к , расстояние которого от корневого
сечения руля (при  к  const по всему контуру) z к , мм, вычисляют по
формуле
z к  аa  b 2a  b .
(7.34)
Максимальное напряжение среза перемычки при таком нагружении в
точках А или Б, в соответствии с рисунком 7.8, будет зависеть от
соотношения указанных трех силовых факторов.
В случае, когда влияние самой силы Yp по сравнению с
Мизг и Мкр
невелико, максимальное касательное напряжение среза перемычки в точке А
 А , Н/мм , вычисляют по формуле
2
 А  1  к М изг J z   z k  Y p 2a  b  M кр Yy  b 2 ,
123
(7.35)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где J z  a 2 a b  2aa  b 2a  b  1 22  b1  a  b 2a  b2 ,


J y  b 2 2 a  b 6 .
(7.36)
(7.37)
Условие прочности по этому виду разрушения вычисляют в
соответствии с формулой
 А  0,7 В .
(7.38)
Касательное напряжение среза перемычки в точке Б  Б , Н/мм2,
вычисляют в соответствии с формулой
 Б  1  к М изг J x   a  z к   Y p 2a  b  M кр J y  b 2 .
(7.39)
В дальнейшем необходимо провести графическую увязку полученных
размеров с внешними обводами руля. Для того, чтобы вилки не выступали за
обводы пластин, их следует подрезать по обводу, в соответствии с рисунком
7.9, в результате чего толщина пластин на внешнем торце может оказаться
приемлемой
по
технологическим
соображениям
(  п.к  1 мм)
неприемлемой (  п.к < 1 мм).
а — подрезка пластин допустима.
Рисунок 7.9, лист 1 — Графическая увязка размеров пластин вилки с
внешним обводом руля
124
или
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б
1 — удаляемая часть пластины.
б — подрезка пластин не допустима.
Рисунок 7.9, лист 2
В первом случае пластины принимаются для дальнейшей проработки,
которая заключается в проверке на прочность сечений руля, ослабленных
вырезом, в соответствии с рисунком 7.10, в определении потребного
количества элементов крепления (заклепок или болтов), их диаметра и
материала, а также в выборе их расположения по поверхности пластин.
Если ослабленные сечения руля прочны, то нужно определить
суммарную срезающую силу Р , Н, действующую на заклепки, которую
вычисляют по формуле
2
Р  1  к  М изг
 М кр2 .

(7.40)
Для выбранной заклепки определяют разрушающую силу среза Рз.р, Н,
и потребное количество заклепок п3 , по формуле
п3  Р Рз. р .
125
(7.41)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.10 — Ослабленные вырезом сечения сплошного руля
Полученное значение округляют до ближайшего целого четного и
принимают
для
дальнейшей
проработки.
Дальнейшая
проработка
заключается в расстановке заклепок вдоль пластин вилки с проверкой
выполнения условия смятия материала руля, вилки и заклепок по
поверхностям контактов, а также условия среза перемычек. В случае
невыполнения условия прочности увеличивается размер а, диаметр заклепок
или заменяется материал вилки на более прочный.
Если профилировка пластин вилки под внешний обвод руля приводит
к неприемлемо малой толщине пластины на внешнем торце или более того, к
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
его укорочению, в соответствии с рисунком 7.9б, то это означает, что
прочность такого узла не обеспечивается. В этом случае изменяют
конструктивно – технологическое решение: либо замена материала руля на
более прочный, либо перейти на больший диаметр вала и т.д.
Если перерезывающая сила от руля передается на вилку через
пластины, соединенные между собой только в корневом сечении вала, то
возникает местный изгиб этих пластин между заклепками, который
становится заметным при а > b , и для его исключения целесообразно
пластины соединить между собой стенкой f , мм, помогающей передавать
перерезывающую силу на расстоянии до корневого сечения, вычисляют по
формуле
f  a b.
(7.42)
В соответствии с вышесказанным необходимо принять меры по
обеспечению прочности соединения пластин с валом. Необходимо обратить
внимание, что части корневого сечения Н пластин, в соответствии с
рисунком 7.11, не перекрываются трубчатым сечением вала, следовательно,
что для включения этих зон в работу необходима переходная зона внутри
вала, которая может быть образована, если центральное отверстие в валу
просверлить на расстоянии s от бортового сечения.
Величину s, мм, вычисляют по формуле
s  1,5   n .
127
(7.43)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.11 — Пластины вилки руля, подкрепленные стенкой и переходной
зоной вала
Необходимо рассчитать и графически разработать конструкцию узла
установки сплошного аэродинамического руля на корпусе ЛА. Установка
должна допускать независимый (от других рулевых поверхностей) поворот
руля в подшипниках на угол
 р  20 0 .
Руль имеет симметричный
чичевицеобразный профиль постоянный по размаху относительной толщины
с  с b , в соответствии с рисунком 7.12. Материалы для изготовления вилки и
элементов крепления (заклепок и болтов), а также конкретную марку сплава
для руля выбрать самостоятельно.
Исходные данные представлены в
таблице 7.2.
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 7.2 — Исходные данные
№
Вар.
Размеры руля
1
2
3
4
5
6
7
(Н  м)
 10-2
20
21
22
23
24
25
26
вкор,
мм
150
160
170
180
190
200
210
вк,
мм
30
32
34
36
38
40
42
хк,
мм
100
110
120
130
140
150
160
хов,
мм
30
32,5
35
37
40
42,5
45
lк,
мм
80
85
90
95
100
110
115
0,025
0,025
0,025
0,025
0,027
0,027
0,027
Размеры
корпуса
Dк,
hшп,
мм
мм
250
20
260
22
270
24
280
26
290
28
300
30
350
32
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
220
230
250
260
270
280
290
300
310
320
330
44
46
50
52
54
56
58
60
62
64
66
160
165
170
180
200
210
220
230
235
240
260
47,5
50
52,5
55
57,5
60
62,5
65
67,5
70
72,5
120
125
130
135
140
370
150
160
165
170
180
0,03
0,03
0,03
0,03
0,02
0,02
0,02
0,02
0,015
0,015
0,015
320
330
340
350
360
370
380
375
380
385
390
Yp,
129
с
34
36
38
38,5
39
39,5
40
40
40
40
42
Мат-л
руля
Al
литей
ный
сплав
Al
дефор
мируе
мый
сплав
Mg
сплав
Ti
сплав
Сталь
Т 0С
расчетная
конструкц
ии
150
150
150
150
180
180
180
200
200
200
200
450
450
450
450
700
700
700
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 7.12 — Геометрические характеристики узла установки руля
на корпусе ЛА
Заключение
1 В результате изучения теоретического курса и закрепления в
процессе
практических
конструкторскую
занятий
практику
студент
перед
началом
получает
необходимую
выполнения
курсовых
(дипломного) проектов (работ), что позволяет разрабатывать конкретный
узел
ЛА,
характеристики
которого
130
соответствуют
характеристикам,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
заданным в требованиях. В процессе работы рассмотрены следующие
вопросы:
1) оболочки корпуса;
2) усиленные шпангоуты корпуса;
3) лонжероны крыла;
4) неразъемные соединении;
5) разъемные соединения;
6) узлы кинематической цепи механизмов управления.
2 Рассмотренные вопросы решены полностью.
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глоссарий
Авиационная
применение
техника — летательный
динамического
принципа
аппарат,
создания
реализующий
подъемной
силы,
включающий наземные средства, обеспечивающие подготовку ЛА к полету и
выполнение полетного задания.
Авиационно–баллистические
ракеты — баллистические
ракеты,
запускаемые с самолетов и предназначенные для поражения площадных
целей.
Авиационные
предназначенные
управляемые
для
поражения
реактивные
точечных
снаряды — ЛА,
целей:
кораблей,
железнодорожных мостов, радиолокационных станций, пусковых установок
и т.д.
Активно–реактивные
управляемые
снаряды — модифицированные
артиллерийские снаряды, предназначенные для поражения площадных целей
и живой силы противника.
Антиракеты — ЛА предназначенные для поражения баллистических
ракет, их боеголовок и некоторых типов высокоскоростных ЛА.
Антиспутники — ЛА
предназначенные
для
поражения
военных
космических объектов и спутников–шпионов.
Баллистическая ракета — ЛА характеризующий тем, что основной
участок полета осуществляется по баллистической траектории по законам
свободно брошенного тела, и предназначенные для поражения площадных
целей противника.
Большая
техническая
система — совокупность
взаимосвязанных
технических элементов, объединенных единой целью и алгоритмом
функционирования.
Вертикальная скорость — изменение высоты полета за единицу
времени, равная вертикальной составляющей скорости ЛА.
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Воздушное пространство — пространство, простирающееся вверх над
поверхностью Земли.
Высота полета — расстояние по вертикали от находящегося в полете
ЛА до уровня поверхности, принятого за нулевой.
Дистационно–пилотируемые ЛА — ЛА ракетной, самолетной или
вертолетной схем, при управлении которыми оператор выполняет операции,
близкие к действиям летчика.
Жизненный
цикл
летательного
аппарата — совокупность
взаимосвязанных во времени процессов последовательного изменения
состояния ЛА начиная с исследования и обоснования создания ЛА до снятия
его с эксплуатации.
Зенитные управляемые ракеты — ЛА предназначенные для поражения
воздушных
целей
(самолетов,
вертолетов,
крылатых
ракет
и
т.д.),
представляют собой ЛА осесимметричной схемы.
Крейсерская скорость — скорость ЛА на крейсерском режиме полета.
Крылатые ракеты — беспилотные ЛА самолетной схемы, имеющие
значительную дальность полета (до нескольких тысяч километров),
предназначены для поражения площадных и точечных целей противника.
Летательный аппарат — устройство для полетов в атмосфере Земли
или в космическом пространстве.
Максимальная скорость летательного аппарата — максимальное
значение достижимой или допустимой по условиям эксплуатации скорости
ЛА.
Минимальная
значение
скорости
скорость
летательного
установившегося
аппарата —
горизонтального
наименьшее
(или
почти
горизонтального) полета допустимой в эксплуатации.
Модернизация
авиационной
техники — изменение
конструкции,
состава бортового оборудования и т.п. в соответствии с новейшими
требованиями, нормами, достижениями науки и техники для улучшения
каких–либо характеристик ЛА, но без изменения целевого назначения ЛА.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Модификация
летательного
аппарата — видоизменение,
преобразование, придание новых свойств исходному (базовому) варианту ЛА
с целью повышения его эффективности.
Оболочка
(обшивка,
обечайка) — поверхность
образующая
аэродинамическую форму корпуса ЛА и работает на нормальные и
касательные напряжения от изгиба, сжатия (растяжения) и кручения.
Полет
ЛА — движение
ЛА
в
атмосфере
под
воздействием
аэродинамических и гравитационных сил и тяги силовой установки или под
воздействием только аэродинамических и гравитационных сил.
Полетное время — время от начала взлета ЛА до окончания его
посадки.
Производительность
ЛА
фактическая — производительность,
определенная для реальной загрузки ЛА.
Противотанковые
малогабаритные
управляемые
ЛА,
бронетранспортеров,
реактивные
предназначенные
бронированных
для
снаряды —
поражения
самоходных
танков,
артиллерийских
установок, а также укрепленных огневых точек.
Ресурс
авиационной
конструкции — продолжительность
функционирования (наработка) конструкции ЛА, выраженная в летных часах
или числом полетов до наступления предельного состояния, при котором
дальнейшая эксплуатация ЛА прекращается по требованиям безопасности
или эффективности эксплуатации в связи с возможным недопустимым
снижением прочности.
Скороподъемность
ЛА — скорость
набора
высоты
летательным
аппаратом, определяющая его маневренные возможности в вертикальной
плоскости.
Скорость
ЛА — скорость
движения
ЛА
(его
центра
масс)
относительно воздушной среды, невозмущенным самим ЛА.
Ступень ЛА — отделяемая часть составной конструкции, имеющая
собственный двигатель и топливную систему обеспечивающая движение ЛА
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
на определенном участке траектории.
Управляемые авиационные бомбы — малоразмерные крылатые ЛА без
двигателей, предназначенные для поражения наземных объектов и живой
силы противника.
Управляемые реактивные торпеды — это ЛА, конечный участок
траектории движения которых находится на малой высоте или в водной
среде, предназначенные для поражения кораблей и подводных лодок
противника.
Управляемые
снаряды
«воздух–воздух» — крылатые
ЛА
осесимметричной схемы, действующие в плотных слоях атмосферы и
предназначенные для поражения самолетов, вертолетов, крылатых ракет.
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список использованных источников
1Авхимович, Б. М. Сборник задач по конструированию узлов и деталей
летательных аппаратов : учебное пособие / Б. М. Авхимович, Б. А. Павлов. –
М. : Изд-во МАИ, 1991. – 72 с.
2 Аскадский, А. А. Компьютерное материаловедение полимеров / А. А.
Аскадский, В. И. Кондращенко. – М. : Научный мир, 1999. – 544 с.
3 Батаев, А. А. Композиционные материалы : строение, получение,
применение : учебник / А. А. Батаев, В. А. Батаев. – Новосибирск : Изд-во
НГТУ, 2002. – 384 с.
4 Белов, Г. В. Основы проектирования ракет: учебное пособие для
вузов / Г. В. Белов, С. И. Зоншайн, А. П. Оскерко. – М. : Машиностроение,
1974. – 256 с.
5 Принципы создания композиционных полимерных материалов / А. А.
Берлин, С. А. Вольфсон, В. Г. Ошмян, Н. С. Ениколопов. – М. : Химия, 1990.
– 238 с.
6 Бунаков, В. А. Армированные пластики / В. А. Бунаков [и др.] ; под
ред. Г. С. Головкина, В. С. Семенова. – М. : изд-во МАИ, 1997. – 404 с.
7 Власов, С. В. Основы технологии переработки пластмасс : учебник
для вузов / С. В. Власов [и др.]. – Чебоксары : ГУП ИПК Чувашия, 2004. –
596 с.
8 Голубев, И. С. Проектирование конструкций летательных аппаратов :
учебник для студентов втузов / И. С. Голубев, А. В. Самарин. – М. :
Машиностроение, 1991. – 512 с.
9 Конструкция самолетов : учебник для вузов / О. А. Гребеньков, В. П.
Гоголин, А. И. Осокин, В. Ф. Снигирев, В. Г. Шатаев ; под. ред. проф. О. А.
Гребенькова. – Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 1999. – 320 с. – ISBN
5-7579-0241-8.
10 Кулезнев, В. Н. Химия и физика полимеров / В. Н. Кулезнев, В. А.
Шершнев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Колос, 2007. – 367 с.
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11 Полимерные композиционные материалы в триботехнике / Ю. К.
Машков, З. Н. Овчар, М. Ю. Байбарицкая, О. А. Мамаев. – М. : ООО
«Недра»–Бизнесцентр», 2004. – 262 с.
12 Наполнители для полимерных композиционных материалов :
справочное пособие / пер. с англ. под ред. П. Г. Бабаевского. – М. : Химия,
1981. – 736 с.
13 Новиков, В. Н. Основы устройства и конструирования летательных
аппаратов : учебник для студентов высших технических учебных заведений /
В. Н. Новиков, Б. М. Авхимович, В. Е. Вейтин . – М. : Машиностроение,
1991. – 386 с.
14 Основы конструирования ракет–носителей космических аппаратов :
учебник для студентов втузов / Б. В. Грабин [др.] ; Под ред. В. П. Мишина,
В. К. Карраска. – М. : Машиностроение, 1991. – 416 с.
15 Материаловедение и конструкционные материалы : учебное пособие
для машиностроит. спец. вузов / Л. С. Пинчук, В. А. Струк, Н. К. Мышкин,
А. И. Свириденок ; под ред. В. А. Белого. – Минск : Вышэйш. шк., 1989. –
460 с.
16 Полимерные смеси : в 2 т. / Под ред. Д. Пола и С. Ньюмена. – М. :
Мир, 1981. – Т.1 – 550 с.; т. 2. – 453 с.
17 Промышленные полимерные композиционные материалы / пер. с
англ. под ред. П. Г. Бабаевского. – М. : Химия, 1986. – 472 с.
18 Тарнопольский,
Ю.
М.
Пространственно–армированные
композиционные материалы : справочник / Ю. М. Тарнопольский, И. Г.
Жигун, В. А. Поляков. – М. : Машиностроение, 1987. – 223 с.
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение А
(справочное)
Характеристики используемых материалов при конструировании
Таблица А.1 — Характеристики прочности и жесткости используемых
материалов
Характеристика
Стекло
пластик
Плотность, кг/м3
Предел прочности при
растяжении вдоль волокн,
МПа
Предел прочности при
сжатии вдоль волокн,
МПа
Удельная прочность при
растяжении вдоль волокн,
10-6 м2/с2
Модуль упругости вдоль
волокн, 10-4 МПа
Удельная жесткость вдоль
волокн, 10-6 м2/с2
Предел прочности при
растяжении поперечных
волокн, МПа
Модуль
упругости
поперек волокн, 10-4 МПа
Предел прочности при
сдвиге, МПа
Модуль сдвига, 10-4 МПа
2100
1750
Наименование материала
Угле
Органо
Боро
Углеал
пластик пласти пластик
юк
миний
1500
1380
2000
2250
1100
1800
1600
1100
Бороалю
-миний
2640
1400
650
450
280
2400
600
2000
0,833
0,733
1,3
0,8
0,489
0,53
5,7
18
7,2
21
20
23
27,1
120
52,2
105
88,9
87,1
34
33
28
65
45
140
0,9
0,62
0,49
1,9
-
14
48
27
42
102
45
84
0,52
0,5
0,2
0,62
-
6,3
Таблица А.2 — Свойства дисперсных наполнителей
Наименование
Каолин
Тальк
Слюда
Мел
Аэросил
Белая сажа
Асбест
Гипс
Технический
углерод (сажа)
Плотность, г/см3
Твердость по Моосу
2,6
2,8
2,8
2,6-2,9
2,4
2,2
2,7
2,3
1,8
1
1
2,5-3,5
3
4-6
2
3
138
Температура, 0С
Плавления Размягчения
1000
1500
1290
920
1400
1200
1550
550
-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица А.3 — Пределы совместимости пластификаторов с полимерами
(масс. ч. на 100 масс. ч. полимера)
Пластификатор
Дибутилфталат
Бутилбензилфталат
Диизодециладипинат
Трифенилфосфат
Трикрезилфосфат
Эпоксидированное
соевое масло
ПВХ
100
100
50
20
100
100
ПВА
100
100
1
80
40
1
Полимеры
ПА
НПС
25
20
25
20
25
1
10
10
25
20
-
ПС
100
100
25
20
15
-
ЭС
25
25
1
10
25
-
ПУ
25
25
15
10
25
-
ФФС
50
-
Таблица А.4 — Влияние каучука на свойства полистирола
Наименование
показателя
Единица величин
Значения показателей
Полистирол с 15 %
Полистирол
каучука
41
32
Разрушающее
напряжение
при
растяжении
Модуль упругости
× 10-2
МПа
МПа
33
31
Ударная вязкость
по
Изоду
(с
надрезом)
Твердость
по
Роквеллу по шкале
Дж/м2
210
680
-
72
50
Таблица А.5 — Способы получения газонаполненных полимеров
Технология вспенивания
Наименование вещества
1
2
3
Механическое перемешивание
газа с жидкой полимерной
композицией с последующим ее
отверждением при нагревании
Растворение газа в жидкой
полимерной композиции под
давлением с последующим
отверждением
при
одновременном
снижении
давления
Диспергирование жидкости в
полимерной композиции и
испарение ее одновременно с
отверждением полимера
Перемешивание двух и более
компонентов с последующим
отверждением вспененной
системы
Воздух
Производство вспененных
латексов, реактопластов и
термопластов
из
олигомеров
Производство
формованных изделий из
пластифицированного
поливинилхлорида
Углекислый газ
Область применения
Легкокипящие жидкости
Производство вспененных
пластиков
из
ацетилцеллюлозы
Газы, образующиеся при
химической реакции
поликонденсации
Производство
пенополиуретанов
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение таблицы А.5
1
2
3
Смешение порообразователя с
полимерной композицией,
нагревание с разложением
порообразователя, при котором
выделяются газы
Смешение жидкой композиции
с полыми микросферами с
последующим ее отверждением
Газы, выделяющиеся при
разложении специальных
веществ
Производство
пенопластов и пористых
резин
Полые микросферы
Производство синтактных
пен
Таблица А.6 — Коэффициенты
материалов
трения
антифрикционных
Полимер
ПА
ПТФЭ
ПЭ
ПФ
ПК
ПП
ЭС
ФФС
Коэффициент трения
0,1-0,2
0,1-0,15
0,1-0,15
0,15-0,2
0,3
0,3-0,4
0,15-0,25
0,15-0,25
Таблица А.7 — Коэффициенты
наполнителей
трения
Наполнитель
Графит
MoS2
WS2
MoSe2
WSe2
BN
Таблица А.8 — Значения
некоторых полимеров
Полимер
Полиамид
Поливинилхлорид
Полиэтилентерефталат
Поликарбонат
Полиэтилен, полипропилен
Полистирол
Политетрафторэтилен
Полифениленоксид
Фенопласты
полимерных
по
стали
антифрикционных
Коэффициент трения
0,04-0,06
0,02-0,03
0,06
0,02
0,02
0,07-0,4
удельного
электрического
сопротивления
Сопротивление
Объемное rоб, Ом  м
Поверхностное rпов, Ом
1011-1013
1012-1013
10
14
10 -10
1013-1014
1013-1014
1014-1015
1014-1015
1014-1016
14
15
10 -10
1015-1016
1014-1016
1016-1017
15
17
10 -10
1016-1017
1015-1017
1016-1017
7
11
10 -10
1010-1014
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица А.9 — Теплофизические свойства некоторых полимеров
Полимеры
0,09-0,14
0,17-0,19
1,3-1,5
1,3-2,1
0,8-0,9
0,9-1,1
Температурный
коэффициент
линейного
расширения
 105, К-1
6-8
7
0,19-0,21
0,19-0,21
0,2-0,3
0,25
1,93
1,17
1,1-1,2
1,0
1,3
0,8-1,9
1,1
9-11
2,6-5,0
8-25
0,32-0,36
1,8-2,5
1,3-1,5
10-13
0,42-0,44
1,9-2,1
1,9
17-20
0,3
1,0-1,7
1,0-1,7
2-14
Теплопроводность,
Вт/(м  К)
Полистирол
Полиметилметакрилат
Полипропилен
Поликарбонат
Полиарилаты
Политетрафторэтилен
Полиэтилен
низкой
плотности
Полиэтилен
высокой
плотности
Полиамид
Удельная
Температуротеплоемкость, проводность
кДж/(кг  К)
 107, м2/с
Таблица А.10 — Свойства стеклопластиков на основе некоторых связующих
Наименование
показателя
Единица
величин
Плотность
Прочность при
растяжении
Прочность при
статическом
изгибе
Прочность при
сжатии
Модуль
упругости при
растяжении
г/см3
Значение показателя для стеклопластиков на основе
различных смол
Полиэфирная Эпоксидная
Фенолформальдегидная
1,4-1,75
1,6-1,9
1,5-1,8
МПа
140-450
400-600
300-500
МПа
150-500
400-800
200-600
МПа
150-300
200-400
100-300
ГПа
11-25
22-32
18-25
Таблица А.11 — Свойства армирующих волокон
Вид волокна
Полиэтиленовые (ПЭНД)
Полипропиленовые
Полиамидные
СВМ, армос, терлон
Кевлар 149
Углеродные
Стеклянные
Базальтовые
Прочность при растяжении,
ГПа
0,45-0,80
0,30-0,70
0,50-0,95
3,50-4,50
3,80-4,20
2,00-4,50
2,00-4,90
1,80-2,80
141
Модуль упругости при
растяжении, ГПа
3,0-8,5
3,3-10,0
2,0-4,5
125,0-175,0
150,0-180,0
200,0-500,0
50,0-95,0
95,0-100,0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица А.12 — Свойства конструкционных материалов (* (1:0) и (2:1) — соотношение содержания волокон вдоль и
поперек)
Материал
Стеклопластики:
- однонаправленные (1:0)*
- перекрестные (2:1)
Органопластики:
- однонаправленные (1:0)
- перекрестные (2:1)
Углепластики:
- однонаправленные (1:0)
- перекрестные (2:1)
Боропластики:
- однонаправленные (1:0)
- перекрестные (2:1)
Алюминия АМГ-6
Магния МА-2-1
Титана ВТ-3-1
Бериллия АБМ-1
Стали ЭП-679
Плотность r,
г/см3
Прочность при
растяжении
sр, ГПа
Модуль упругости
при растяжении
Ер, ГПа
Удельная прочность,
sр/r,
-3
ГПа/(г  см )
% к ЭП679
Полимерные армированные материалы
2,1
2,0
1,6-2,1
1,0-1,2
56-70
36-42
0,76-1,0
0,5-0,6
314-413
206-250
27-33
18-20
100-127
67-74
1,35
1,35
1,9-2,5
1,2-1,6
80-95
53-63
1,40-1,85
0,88-1,18
578-764
363-487
59-70
39-46
218-260
144-170
1,5
1,5
1,0-1,5
0,6-1,0
120-180
80-120
0,66-1,0
0,40-0,67
275-413
165-275
80-120
53-80
296-444
200-300
2,0
2,0
1,5
0,9
0,75
0,45
300
185
120
80
444
300
2,64
1,80
4,50
2,35
7,89
0,34
0,32
1,25
0,42
1,90
0,13
0,18
0,28
0,18
0,24
55
75
115
75
100
27
24
22
60
25
100
90
80
220
95
240
160
Металлические сплавы
72
43
110
140
200
142
Удельный модуль
упругости Ер/r
ГПа/(г  см-3)
%к
АМГ-6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица А.13 — Свойства отвержденных связующих для производства
армированных пластиков
Свойства
Плотность, г/см3
Модуль
упругости при
растяжении, ГПа
Прочность при
растяжении, МПа
Относительное
удлинение при
разрыве, %
Удельная ударная
вязкость, кДж/м2
Температурный
коэффициент
линейного
расширения  106,
К-1
Усадка при
отверждении, %
Водопоглощение
за 24 ч, %
Коэффициент
теплопроводности,
Вт/(м  К)
Диэлектрическая
проницаемость
при 106, Гц
Удельное
объемное
электрическое
сопротивление,
Ом  м
Тангенс угла
диэлектрических
потерь
Теплостойкость по
Мартенсу, °С
Смолы
ФенолКремнийПолиэфирные формаль- Эпоксидные органи- Полиимидные
дегидные
ческие
1,1-1,46
1,2-1,36
1,1-1,4
1,15-1,36
1,2-1,45
1,5-4,5
1,4-6,8
1,9-5,0
1,5-3,7
3,2-5,5
23,5-68,5
22,5-78,3
27,4-140
6,8-34,2
90-95
0,5-0,6
0,4-0,3
1,2-10,0
0,3-1,5
1,0-4,0
2,0-10,7
2,0-11,3
2,9-24,5
2,3-5,4
4,0-12,0
60-90
60-80
48-80
20-40
50-58
4-15
0,5-7,0
0,5-3,6
2,1-4,3
0,5-2,0
0,15-0,6
0,15-0,6
0,03-0,3
0,05-0,2
0,01-0,6
0,12-0,23
0,23-0,27
0,17-0,21
0,4-0,6
0,35-0,37
4,1-4,5
3,0-5,0
3,2-4,5
2,6-4,2
3,4-3,8
1012-6  1013
109-1010
1013-8  1014
1012-1013
1014-1015
0,022-0,024
0,0150,035
0,01-0,03
0,0010,025
0,0010,005
60-80
140-180
140-150
250-280
250-370
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица А.14 — Анизотропия свойств углепластиков
Наименование
показателя
Прочность при
растяжении
Прочность при
сжатии
Модуль упругости
при растяжении
Единица величин
МПа
МПа
ГПа
Направление
нагрузки
Вдоль волокон
Поперек волокон
Вдоль волокон
Поперек волокон
Вдоль волокон
Поперек волокон
144
Значение показателя
1500
32
1200
140
140
9
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
243
Размер файла
1 601 Кб
Теги
8543, узлов, конструирование, летательных, аппаратов
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа