Проектирование лонжерона крыла

Министерство образования и науки Украины Харьковский национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «ХАИ»

Расчетно-графическая работа

по курсу «Конструкция самолетов и вертолетов»

«Проектирование лонжерона крыла»

Харьков 2009

Введение

Исходные данные Проектирование поясов балочных лонжеронов по критериям минимальной массы и заданного ресурса Проектирование стенок лонжерона по критерию минимальной массы Определение параметров соединений из условий статической прочности Список использованной литературы

Лонжероны, как основные силовые элементы крыла и оперения, в значительной степени определяют прочность, жесткость и ресурс крыла самолета в целом. Многообразие расчетных схем и вариантов конструктивного выполнения лонжеронов существующих самолетов отражает различие условий нагружения и работы этих силовых элементов. Основным фактором, который определяет схему, применяемые материалы, конструктивное выполнение и форму поясов, тип стенки и степень ее подкрепления лонжеронов минимальной массы, является интенсивность воспринимаемой лонжероном нагрузки.

Лонжерон крыла современного пассажирского и транспортного самолета представляет собой, как правило, сборную тонкостенную балку, регулярная часть которой состоит из поясов и стенки. Стенка может быть подкреплена стойками. К зонам нерегулярностей относятся стыковые узлы, зоны навески двигателей и элементов управления, агрегатов различных систем, вырезы в стенках.

В предлагаемом учебном пособии рассматриваются вопросы выбора параметров регулярной зоны тонкостенных балочных лонжеронов, характерных для крыльев современных самолетов, из условий обеспечения статической прочности и заданного ресурса. При проектировочном расчете регулярной зоны отсека лонжерона допускаем, что изгибающий момент или его часть воспринимается только поясами и стенка в его восприятии участия не принимает. С другой стороны, поперечная сила воспринимается только стенкой. Такое допущение возможно при выборе параметров тонкостенных балочных конструкций и может быть заменено более строгим решением на последующих этапах поверочных расчетов.

Исходные данные

М / Н3=13 (МПа);

Н=22см;

к=1,2;

.

Проектирование поясов балочных лонжеронов по критериям минимальной массы и заданного ресурса

По величине выбираем конструкционный материал:

Определим показатель интенсивности нормальных сил:

М / Н³=13 (МПа);

Рассматриваем материал Д16Т:

Модуль нормальной упругости Е=72 000 (МПа);

Предел прочности =435 (МПа);

Предел текучести =280 (МПа);

Предел пропорциональности =190 (МПа);

Объемная плотность =2780 (кг/м³);

При коэффициенте надежности, равном 3, расчетные напряжения в растянутом поясе лонжерона определяют по выражению:

Где Тресурс самолета в полетах.

Если принять кривую выносливости, у которой, то при ресурсе в 20 000 полетов и n=4,15; будем иметь МПа. Для верхнего пояса принимаем, что допускаемые за один полет в 1,2 раза больше, чем для нижнего, тогда:.

Величины расчетных напряжений в поясах лонжеронов для ресурса в 20 000 полетов равны:

— для верхнего пояса ;

— для нижнего пояса .

Отсюда:

По заданному уровню расчетных напряжений необходимо определить максимальное значение отношения. Для сжатого пояса с учетом данных рис. 4.4.

b/д =5,75 .

Для растянутого пояса с учетом данных рис. 4.3. b/д=6,7.

Величина д/h определяется из условия прочности по выражению (для двутаврового сечения);

;

Определим значение правой части этого выражения для каждого пояса:

— для сжатого пояса:

— для растянутого пояса:

По рис. 4.7. определим величину д/h, которая для растянутого пояса принимает значение д/h= 0,058, как и для сжатого пояса-0,055

Зная Н, найдем толщины поясов:

Верхнего:

Нижнего:

Ширина полки сжатого пояса:

лонжерон крыло балочный оперение Ширина полки растянутого пояса:

Толщину «лапок» из конструктивно-технологических соображений назначают равной от 1,5 до 2,0 толщины обшивки или стенки. Ширину «лапок» выбирается из условия прочности заклепочного шва, чтобы расстояние от оси заклепки (или болта) до каждого из краев было не меньше двух диаметров.

Принимаем, что =2мм;

Дополнительно необходимо проверить полученные значения размеров «лапок» на соответствие условиям прочности, жесткости и технологичности.

Условие прочности ;

Условие жесткости ;

Условие технологичности — 3,0 мм для дюралюминиевых сплавов. С учетом этих условий: .

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТЕНОК ЛОНЖЕРОНА ПО КРИТЕРИЮ МИНИМАЛЬНОЙ МАССЫ

В конструктивном выполнении стенки лонжеронов крыла состоят из собственно стенок и подкрепляющих стоек

Найдем расстояние между центрами тяжести поясов лонжерона:

h_эф = H-(д_р +)/2=220-(12,76+12,1)/2=207,57(мм).

Определим параметр нагруженности на балку:

Для изготовления стенки выбираем материал Д16Т.

Находим по рис 5.4 — максимальное полезное напряжение сдвига, которое можно получить при данном параметре нагрузки в случае равнопрочной конструкции (стенка и стойки разрушаются одновременно). =175 (МПа).

По рис. 5.5 определяем отношение, на основе которого определяем минимально потребную толщину стенки Минимально потребную толщину стенки, следует выбрать с учетом минусового допуска.

Следует обратить особое внимание на то, что листы из материалов Д16Т и В95Т, используемые для изготовления стенок, выпускают с минусовыми допусками. Так, при номинальной толщине листа Д16Тл2,0 фактическая толщина листа может оказаться 1,83 мм.

Такие издержки толщины не компенсируются повышенным по отношению к номиналу значением предела прочности листов. Испытания показывают, что листы Д16Т имеют предел прочности = 440 … 450 МПа, что составляет в среднем +3,5% от номинального значения, равного 435 МПа, а проигрыш на толщине листа достигает 9%.

Поэтому, определив минимально потребную толщину стенки, следует выбрать по нормалям лист с учетом минусового допуска:

;

д_факт=4,32 (мм).

Принимаем д_факт=4,5 (мм).

Находим отношение, а по нему — оптимальный шаг стоек:

.

Определяем оптимальное значение относительной затраты материала стойки на стенку

а по ней — потребную минимальную площадь сечения стойки

.

; ;

По рис. 5.8 находим оптимальное значение отношения толщины лапки стойки к толщине стенки и определяем потребное значение толщины лапки, прикрепленной к стенке. Толщина полки стойки, перпендикулярной к стенке, должна быть :

;

;

Зная потребные площадь стойки и толщины ее полок, выбираем нормаль профиля. Как показывают расчеты и эксперименты для стенок, работающих на сдвиг, наиболее эффективны стойки уголкового сечения, например профили типа Д16Т Пр111 или Д16Т Пр100.

Выбираем профиль ПР100−52:

; H=15(мм); B=15(мм); r=3(мм); r₁=1,5(мм);

S=3(мм).

После того, как окончательно выбрана нормаль стойки, следует определить фактический шаг стоек

Проектирование соединений в сборных лонжеронах. Определение параметров соединений из условий статической прочности

Соединение стенки с ребром пояса Обычно пояса лонжеронов соединяют со стенками и обшивкой с помощью заклепок или болтов. Величину усилия, действующего на один крепежный элемент по одной плоскости среза, определяем из условия равновесия участка стенки в зоне стыка с поясом (рис. 6.1) по следующему выражению:

где — число рядов крепежных элементов;

— шаг крепежных элементов в ряду;

 — коэффициент неравномерности распределения касательных напряжений в стенке, принимаемый равным 1,1.

Расчетная схема заклепочного шва: 1 — пояс лонжерона; 2 — стенка Поскольку, и — величины известные, то, задаваясь шагом заклепок и числом рядов заклепок, следует определить усилие, действующее на одну заклепку, и подобрать материал и диаметр заклепок.

При назначении шага необходимо принимать одно из стандартных значений: 12,5, 15, 17,5, 20, 25, 30, 35, 40 мм, но таким образом, чтобы

.

При назначении шага между рядами t₁ выбирают из условия статической прочности стенки по перемычкам между отверстиями крепежных элементов. Если крепежные элементы расположены в шахматном порядке, то должно выполняться условие:

Выгоднейший шаг t=20(мм), t₁=15(мм); выберем заклепку, работающую на сдвиг диаметром d=5(мм), материал 30ХМА (Р_р=10 200Н).

15<20<21

Соединение стойки с поясом Соединение стенки и пояса в зоне присоединения подкрепляющей стойки оказывается более нагруженным. Здесь сказываются усилия, действующие на стойку при ее работе в качестве подкрепляющего элемента. Усилие, воспринимаемое одним крепежным элементом по одной плоскости среза в этом соединении, рассчитываем по эмпирической формуле

здесь — число крепежных элементов, присоединяющих стойку к ребру пояса.

Выберем заклепку, работающую на сдвиг диаметром d=6(мм), материал 15А (Р_р=9900Н).

Соединение подкрепляющей стойки со стенкой В соединении стенки со стойкой чаще всего используют заклепки, которые расположены в один ряд и нагружены усилиями отрыва. Усилие, которое воспринимает одна заклепка в таком соединении, определяют по формуле где — шаг крепежных элементов соединения;

— предел прочности материала стенки;

— коэффициент, принимающий значение 0,22 для односторонних стоек, и значение 0,15 — для двухсторонних.

Задаваясь шагом заклепок, определяем усилие отрыва, действующее на одну заклепку:

Выберем заклепку, работающую на отрыв диаметром d=6(мм), (Р_р=9900Н). Материал 15А.

1.Учебное пособие для студентов специальности <<�Самолеты и вертолеты>> - Проектирование лонжеронов крыла самолета.

Л.В. Капитанова, В. Н. Николаенко, А. А. Редько, В И Рябков, С. В. Трубаев, Т. Ц. Ципляева. Харьков <<�ХАИ>> 2006