|
N:зад
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
Р(кН)
|
20
|
22
|
24
|
26
|
28
|
30
|
32
|
34
|
36
|
38
|
40
|
42
|
|
N:зад
|
13
|
14
|
15
|
16
|
17
|
18
|
19
|
20
|
21
|
22
|
23
|
24
|
|
Р(кН)
|
44
|
46
|
48
|
50
|
21
|
23
|
25
|
27
|
29
|
31
|
33
|
25
|
Практическое занятие №3
Тема: «Проектирование кронштейна узла навески
управляющей поверхностей»
Управляющие поверхности самолета (элероны, рули высоты и
направления, интерцепторы, триммеры и т.п.), некоторые виды механизации крыла
(поворотные щитки, закрылки и т.п.) створки шасси, грузовые люки соединяются с
неподвижными частями конструкции самолета с помощью узлов навески, основными
элементами которых являются кронштейны. (Приложение №2)
Кронштейны чаще всего изготавливаются штамповкой из
алюминиевых сплавов (АК-4, АК-6 и т.п.). Кронштейны, на которые действуют
большие расчетные нагрузки, изготавливаются из титановых сплавов (BT3-1, ВТ-22
и т.п.) и сплавов стали (45, 30ХГСА и т.п.).
Несмотря на различную конфигурацию, применяемые материалы и
размеры кронштейны имеют следующие основные элементы: проушину (вилку), стенку
с поясами, основание, которым кронштейн крепится к конструкции. В узлах навески
соединение кронштейнов между собой осуществляется подвижным соединением типа
«ухо-вилка».
Алгоритм расчета кронштейна на прочность.
В силовом отношении кронштейны представляют собой консольные
балки или рамы с защемленными или шарнирно закрепленным основанием, нагруженные
сосредоточенными нагрузками в виде сил и моментов.
Характерной особенностью кронштейна балочной конструкции
является передача перерезывающей силы стенкой. Для снижения массы в стенке
делают отверстия с таким расчетом, чтобы действующие в стенке касательные
напряжения были не более допустимого. При этом максимальный размер отверстия не
должен превышать половину высоты стенки. В противном случае кронштейн в силовом
отношении будет представлять рамную конструкцию.
В кронштейне рамной конструкции изгибающий момент и
перерезывающая сила передаются растяжением-сжатием поясов, а стенка вырождается
в элементы поясов, подкрепляющие их от местной потери устойчивости. Силовой
анализ показывает, что рамные кронштейны в весовом отношении выгоднее
использовать в тех случаях, когда длина кронштейна достаточна велика, а
действующие нагрузки небольшие.
Рассмотрим расчет типового кронштейна балочной конструкции
узла навески управляющей поверхности, например элерона (рис. 2.1).
1. Расчет проушины кронштейна. Размеры проушины
кронштейна (Впн, Dпн) Зависят от устанавливаемых в них подшипников.
Обычно используются шарикоподшипники радиальные сферические однорядные с двумя
защитными шайбами и выступающим внутренним кольцом. Подшипник, устанавливаемый
в кронштейне, подбирается с учетом заданной нагрузки по каталогу. (Приложение
№3)
Ширина проушины кронштейна в соответствии с ОСТ1-03841-76
определяется следующей зависимостью:
Впн = Вп +2•а;
где: Вп - ширина внешней обоймы подшипника;
а - расстояние от края проушины до внешней обоймы подшипника.
Эта
величина зависит от наружного диаметра подшипника. При
Dп = (20•••30) мм рекомендуется брать а=0,2 мм, а
прип = (30•••40) мм рекомендуется брать а=0,25 мм.
Внутренний диаметр проушины Dвн равен наружному
диаметру подшипника, т.к. подшипник устанавливается в проушину по глухой,
напряженной или плотной посадке и кернится или завальцовывается. Наружный
диаметр проушины Dпн определяется из условия ее прочности при запрессовке подшипника. В
зависимости от материала кронштейна рекомендуются следующие значения наружного
диаметра проушины:
Dпн = Dп + 2 •
Для кронштейнов, изготовленных из алюминиевых сплавов, имеющих sв=320…360 H/мм:
при нагрузке до 10000Н =7 мм;
при нагрузке от 10000Н до 36000Н =14 мм;
Для кронштейнов, изготовленных из стали 30ХГСА и титановых
сплавов:
- при нагрузке до 10000Н =3,5 мм;
при нагрузке от 10000Н до 25000Н =4 мм;
при нагрузке от 25000Н до 30000Н =5 мм;
при нагрузке от 30000Н до 36000Н =6 мм;
при нагрузке от 36000Н до 50000Н =7 мм.
Для кронштейнов, изготовленных из магниевых сплавов:
- при нагрузке до 10000Н =6 мм;
при нагрузке от 10000Н до 36000Н =14 мм;
Следует отметить, что в ОСТ1-12915-77 «Соединения узлов
навески руля направления, руля высоты, элеронов, элевонов, киля, стабилизатора,
крыла» даны конструкция и размеры шести типоразмеров проушины кронштейна киля и
24 типоразмера вилки кронштейна руля.
2. Расчет сечения кронштейна в зоне перехода от
проушины к телу кронштейна. Сечение I-I (рис. 2.1) находится в зоне перехода от проушины к телу
кронштейна.
Расстояние от точки приложения нагрузки до сечения I-I можно принимать:
X1 =(0,5•••1) •Dпн + (0•••15)
Изгибающий момент в сечении: МI = P1•X1
Ширина сечения I-I В принимаем равной ширине проушины кронштейна минус 0…6 мм. В ==
Впн - (0…6);
Нормальное напряжение в сечении определяется зависимостью:
s = МI • Y/I;
где: М - изгибающий момент в
сечении I-I;
; Нmin -
высота сечения;
- момент инерции сечения.
;
Так как условию прочности сечения s£sв, то
3. Расчет толщины пояса. По технологическим
соображениям толщина пояса по длине кронштейна принимается постоянной. Пояса
кронштейна воспринимают осевые усилия от изгибающего момента. Так как нагрузка
может быть направлена противоположные стороны, то каждый пояс будет подвергаться
как растяжению, так и сжатию от изгибающего момента:
МII =Р • Х2
где: Х2 - расстояние от точки приложения нагрузки
Р до сечения, где сплошное сечение I-I переходит в сечение, имеющее конфигурацию двутавра
Значение X2, рекомендуется принимать:
2 =(0,75•••1,2) •Dпн
Площадь поперечного сечения пояса определяем из условия
сохранения им общей устойчивости при сжатии.
Напряжение, действующее в поясе:
где: Н - высота сечения II-II, Н»Нmin
Первым членом, входящим в это выражение можно пренебречь
ввиду ею малости. Тогда:
Критическое напряжение общей потери устойчивости
где: C - коэффициент заделки, C=1;
Е - модуль упругости;
- длина пояса от сечении II-II до основания.
Для получения рациональной конструкции кронштейна принимаем:
sкр=(0,7¼0,8)´sв 
Тогда, для (X2 = 0,75 • Dпн) можно записать:
4. Расчет ширины пояса кронштейна у основания. Учитывая,
что у основания
2 == Lp, Н=(Нк - Сп)
и Впн = Впо
5. Расчет толщины стенки кронштейна. Стенка
воспринимает перерезывающую силу, поэтому о на рассчитывается из условия среза
где: Нст - высота стенки кронштейна. Для
сечения II-II (рис. 2.1) рекомендуется принимать: Нст » Н » Нmin;
tв»0,6×sв-допускаемое касательное
напряжение.
Так как перерезывающая сила остается постоянно по длине
кронштейна, а высота стенки увеличивается по направлению к основанию, то
напряжения, действующие стенки уменьшаются. Для уменьшения массы кронштейна в
стенки делают отверстия с таким расчетам, чтобы в оставшихся частях стенки
действовали касательные напряжения не более допускаемого.
6. Расчет болтов крепления кронштейна. Болты крепления
подбираются из условия работы на разрыв и на срез. На срез работают все болты.
Максимальные усилия растяжения возникают в крайних верхних или нижних болтах в
зависимости от направлении заданной нагрузки. Размеры Нб и Bб
определяются силовой увязкой конструкции в соответствии с размерами Нк
и Впо. При этом - минимальное расстояние от стенки кронштейна до оси
болта определяется по ГОСТ 13662 - 66 «Места под ключи гаечные».
Растягивающая
нагрузка на болт
где: nб - количество болтов крепления (nб=4).
Из условия
определяем:
где: sвб - предел прочности материала болта;бр
- диаметр болта из условия разрыва.
Из условия работы болтов на срез по одной плоскости:
где: Dбcp - диаметр болта из условия среза:
tвб -
напряжение среза болта, tвб == 0,7 • sвб
Следовательно,
Из двух значений диаметров выбираем наибольшую из них и, как это
указано выше, определяем действующее в болт суммарное напряжение от среза и
растяжения:
Суммарное напряжение sS должно быть меньше предела прочности материала болта
sS£sвб
7. Расчет толщины основания кронштейна. Потребную
толщину основания кронштейна определяем, из условия смятия ее под болтом
крепления к конструкции от срезающей нагрузки:
где: sсм - напряжения смятия, sсм=1,3×sв;
Толщину основания необходимо проверить на местный изгиб под
отдельным болтом. Контакт основания с конструкцией осуществляется через выступы
(бобышки) в зоне болта, если не требуется контактировать основание с
конструкцией по всей плоскости. В этих случаях изгиб основания будет
стесненным. Напряжение изгиба в сечении I-I на рис. 1. определяется
по формуле
Рис. 1. Места крепления кронштейна.
где Рб - осевое усилие болта; W - момент
сопротивления;
;
[s] - допустимое
напряжение для материала болта
где b - ширина полки, эффективно работающей на изгиб.
Для случая, показанного на рис 1, a - b=S+3,5´L; где S - размер под ключ см. приложение 4.
Для случая, показанного на рис 1, б - b= 2´с1+0,5 ´с2´p.
Программа расчета кронштейна.
Приведенный в предыдущем разделе алгоритм расчета кронштейна
реализован в виде программы KRON на языке ПАСКАЛ 7.0.
Решение задач по конструированию кронштейна с использованием
программы КRON производится с помощью терминального комплекса
автоматизированного программирования. Он позволяет с помощью клавиатуры дисплея
задать исходные данные, отправить программу на решение и получить ответ на
экране дисплея либо на бумаге в виде распечатки.
Практическое занятие №4
Тема: «Проектирование усиленных нервюр»
нервюра кронштейн заклепочный проушина
Усиленные (силовые) нервюры устанавливают в местах
действия больших сосредоточенных сил (крепление рулевых поверхностей, элементов
механизации крыла, установка узлов крепления стоек, шасси, крепление двигателей
и т.п.).
По конструктивной схеме различают нервюры балочные, рамные и ферменные.
В силовом отношении усиленная нервюра представляет собой плоскую балку с
высокой жёсткостью в своей плоскости, нагруженную внешними сосредоточенными
нагрузками, распределённой воздушной и массовой нагрузкой и уравновешенную
потоками касательных усилий в обшивке крыла и стенках лонжеронов.
В данной работе рассматривается работа усиленной балочной
нервюры кессонного крыла с двумя лонжеронами, к которой крепится элерон.
Лабораторно-практическое занятие проводится в учебной
лаборатории кафедры под руководством преподавателя и выполняется каждым
студентом самостоятельно в соответствии с вариантом задания.
После выполнения задания, работа защищается перед
преподавателем и сдаётся.
Задание на ЛПЗ
Сконструировать среднюю часть усиленной нервюры навески элерона,
расположенную между лонжеронами.
В соответствии с геометрией сечения крыла и заданными
нагрузками произвести проектировочный расчет на прочность.
Разработать конструктивный чертеж межлонжеронной части
нервюры, выполненный на миллиметровой бумаге формат 594х297.
При проектировочном расчете определить:
1
площадь
сечения поясов нервюры;
2
толщину
стенки;
3
необходимость
подкрепления стенки стойками;
4
размеры
крепежа кронштейна навески элерона к нервюре.
На конструктивном чертеже в масштабе 1:1 проработать
следующие элементы конструкции:
5
пояса
нервюры и стыковку их со стенкой и панелями крыла;
6
подкрепление
стенки нервюры (стойки, зиги);
7
стык
нервюры с передним лонжероном;
8
стык
нервюры с задним лонжероном и кронштейном навески элерона.
Исходные данные
Форма поперечного сечения.
Геометрические характеристики профиля определить в
соответствии с таблицей №I.
Таблица №I.
|
Х %
|
0
|
2,5
|
5
|
10
|
15
|
20
|
30
|
40
|
50
|
70
|
90
|
100
|
|
Ув%
|
0
|
3,11
|
4,31
|
5,68
|
6,89
|
7,54
|
8
|
7,77
|
7,14
|
5,02
|
2
|
0
|
|
Ун%
|
0
|
-2,16
|
-2,85
|
-3,52
|
-3,82
|
-3,94
|
-4
|
-3,84
|
-3,45
|
-2,31
|
-0,91
|
0
|
Положение лонжеронов и оси вращения элерона принять в
соответствии с рис. 1.
Расчетную схему нагружения усиленной нервюры принять в
соответствии с рис. 2, 3а, 3б.
Значения расчетной разрушающей распределенной по размаху
воздушной нагрузки, - расчетной нагрузки в узле навески элерона, - шаг нервюр -
tн принять в соответствии с
вариантом задания из таблицы №2.
Конфигурация силовых элементов представлена на рис. 4.
Геометрические размеры их определить из таблицы №2 в
соответствии с вариантом задания.
Рис. 4. Конфигурация силовых элементов
Таблица
№2
|
№ Зад
|
         
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 Н/мм
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
1600
|
40
|
4
|
200
|
10
|
25
|
15
|
1
|
1
|
100
|
|
2
|
1700
|
50
|
6
|
205
|
12
|
26
|
16
|
1,2
|
1
|
110
|
|
3
|
1800
|
55
|
8
|
210
|
14
|
30
|
20
|
1,32
|
1
|
115
|
|
4
|
1900
|
60
|
10
|
215
|
15
|
32
|
21
|
1,4
|
1,2
|
120
|
|
5
|
2000
|
65
|
12
|
220
|
16
|
34
|
22
|
1,4
|
1,2
|
125
|
|
6
|
2100
|
70
|
14
|
230
|
17
|
35
|
22
|
1,5
|
1,2
|
130
|
|
7
|
2200
|
75
|
16
|
240
|
18
|
36
|
23
|
1,6
|
1,4
|
135
|
|
8
|
2300
|
80
|
18
|
250
|
20
|
38
|
24
|
1,6
|
1,5
|
140
|
|
9
|
2400
|
85
|
20
|
260
|
20
|
40
|
24
|
1,8
|
1,6
|
150
|
|
10
|
2500
|
90
|
21
|
270
|
21
|
41
|
25
|
1,8
|
1,6
|
160
|
|
11
|
2600
|
95
|
22
|
280
|
22
|
42
|
26
|
1,8
|
1,6
|
170
|
|
12
|
2700
|
100
|
23
|
290
|
22
|
43
|
26
|
2
|
1,8
|
175
|
|
13
|
2800
|
105
|
24
|
300
|
23
|
44
|
27
|
2,2
|
2
|
180
|
|
14
|
2900
|
110
|
25
|
310
|
24
|
45
|
26
|
2,2
|
2
|
185
|
|
15
|
3000
|
120
|
26
|
320
|
25
|
46
|
28
|
2,2
|
2
|
190
|
|
16
|
3100
|
125
|
27
|
330
|
25
|
47
|
28
|
2,4
|
2,2
|
200
|
|
17
|
3200
|
130
|
28
|
340
|
26
|
48
|
29
|
2,4
|
2,2
|
210
|
|
18
|
3400
|
135
|
29
|
350
|
26
|
49
|
29
|
2,5
|
2,2
|
220
|
|
19
|
3600
|
140
|
30
|
360
|
27
|
50
|
30
|
2,5
|
2,4
|
230
|
|
20
|
3800
|
145
|
31
|
370
|
28
|
51
|
30
|
2,6
|
2,2
|
240
|
|
21
|
4000
|
150
|
32
|
380
|
30
|
52
|
32
|
2,6
|
2,4
|
250
|
|
22
|
4200
|
33
|
390
|
31
|
54
|
32
|
2,8
|
2,5
|
260
|
|
23
|
4400
|
160
|
34
|
400
|
32
|
55
|
32
|
2,8
|
2,6
|
270
|
|
24
|
4600
|
165
|
35
|
410
|
34
|
56
|
34
|
3
|
2,6
|
280
|
|
25
|
5000
|
170
|
36
|
420
|
34
|
58
|
35
|
3
|
2,8
|
300
|
Построение эпюры перерезывающей силы (Q) и изгибающего момента
(Мизг) действующих на усиленную нервюру
Расчетная схема сечения крыла в зоне элерона представлена на
рис. 2. Распределенная аэродинамическая нагрузка принята по закону трапеции.
При этом принято допущение, что:
;
тогда: 
В свою очередь, среднее значение распределенной по нервюре
воздушной нагрузки qср можно определить по заданному расчетному значению распределенной
по размаху крыла аэродинамической нагрузки -:
; [Н/мм]
где: tн - шаг нервюр;
- распределенная расчетная погонная нагрузка;
bн - хорда
нервюры.
Для упрощения задачи определение реакций опор и построения
эпюр нагрузок, представим расчетную схему в виде двух схем:
а) нервюра нагружена распределенной воздушной нагрузкой 
и расчетной нагрузкой в узле навески
элерона - 
, (рис. 3а).
б) нервюра нагружена распределенной по треугольному закону
воздушной нагрузкой с 
.
Рассматривая, для каждой схемы отдельно, статическое равновесие
балки определим реакции опор.
Для расчетной схемы - I:
;
;
Откуда:
;
;
Рис. 1. Схема сечения крыла в зоне элерона
Рис. 2. Расчетная схема нагружения нервюры
Рис. 3. Расчетные схемы: а) схема - 1; б) схема - 2
Эпюры «Q» и «М» строим по отдельным участкам:
- участок: 
; 
;
II - участок: 
при
при
при
III - участок 
при 
при 
Аналогично для расчетной схемы - 2.
; 
Эпюры «Q» и «М» строим по отдельным участкам
I - участок: 
; 
;
II - участок:
при
при
при
при
III - участок
; при 
; 
;
; при 
;
;
Для построения суммарных эпюр «Q» и «M» необходимо сложить их
значения для двух расчетных схем.
; 
;
I - участок:
; 
;
при
; 
;
при
; 
;
II - участок:
;
;
при
;
;
при
;
;
III - участок
;
;
при
; 
;
при
; 
;
На рис. 5 и рис. 6 представлены эпюры нагрузок для расчетных
схем №1 и №2, а на рис. 7 эпюры суммарных перерезывающей силы - «Q» и
изгибающего момента - «М», действующих на усиленную нервюру.
Рис. 5. Эпюры «Q» и «М» для расчетной схемы 1
Рис. 6. Эпюры «Q» и «М» для расчетной схемы 2
Эпюра суммарных нагрузок «QS» и «МS»
Алгоритм проектировочного расчета усиленной нервюры
Сечения поясов нервюры определяются по наибольшему
действующему изгибающему моменту:
где: 
- площадь пояса и элемента обшивки,
прилагающему к нему;
- расстояние между центрами масс полок;
- коэффициент, учитывающий ослабление пояса отверстиями под
заклепки (только для растянутого пояса).
Сжатый пояс необходимо проверить на местную потерю
устойчивости по выражению:
где: 
- ширина элемента полки;
- толщина элемента полки;
E - модуль упругости;
К - коэффициент, зависящий от размеров и условий закрепления
элементов полки;
К=0,9 - для элементов полки с открытым краем;
К=3,6 - для элементов заделанными сторонами.
Значение 
не должно превышать 
- условного предела текучести материала.
Толщина стенки нервюры рассчитывается на сдвиг от максимальной
перерезывающей силы - 
где: 
- толщина стенки;
- высота стенки;
- местное критическое напряжение стенки:
где: а - длинная сторона
стенки;
b - короткая сторона стенки.
Если толщина стенки большая, необходимо ставить стойки (рис.
8.).
Шаг стоек можно принять: 
Потребная толщина стенки, при наличии стоек:
где: b=Hст; a=tст если 
или b= tст; a=Hст если 
Толщина стенки - 
округляется до стандартной толщины по каталогу сортамента
листового материала.
Определение параметров стоек, подкрепляющих стенку нервюры.
В первом приближении можно принять:
; 
где: 
-момент инерции стойки относительно оси
Х-Х (рис. 9).
- момент инерции стенки
где: а - длинная сторона стенки между стойками или поясами.
Fстенк и Fстой - соответственно площадь поперечного сечения
стойки и участка стенки нервюры.
Подбираем сечение стойки по каталогу профилей.
Программа расчета заклепочных соединений.
Приведенный выше алгоритм расчет усиленных нервюр был
реализованы в виде программы Rib для вычислительной машины ПЭВМ на
алгоритмическом языке Delphi 5.
В числовом материале программы используются характеристики
алюминиевых сплавов Д16, В95 и др.
Решение задач по конструированию и проектированию усиленных
нервюр использованием программы Rib производится в диалоговом режиме позволяющим
задать исходные данные с помощью клавиатуры или из файла, отправить программу
на решение и получить ответ на экране дисплея либо на бумаге в виде распечатки
или чертежа.
Литература
1.
Войт Е.С., Ендогур А.И. и др. «Проектирование конструкций самолетов. М.: Маш-е,
1987 г.
2
Гиммельфарб
А.Л. «Основы конструирования в самолетостроении». М.: Маш-е. 1980 г.
3
Егер
С.М., Мишин В.Ф. и др. «Проектирование самолетов». М.: маш-е, 1983 г.
4
Г.В.
Новожилова. «Проектирование гражданских самолетов». М.: Маш-е, 1991 г.
5
Бирюк
В.И. и др. «Методы проектирования конструкций самолетов». М.: Маш-е, 1977 г.