Разработка конструкции хвостовой части фюзеляжа пассажирского самолета

Введение

В данном курсовом проекте необходимо разработать конструкцию отсека фюзеляжа.

КСС отсека фюзеляжа (количество и расположение стрингеров, лонжеронов, силовых и несиловых шпангоутов) формировать в соответствии с геометрией отсека, с учётом крепления к отсеку агрегатов (крыла, оперения, двигателя и т. д.), вырезов в отсеке и нагрузок, действующих на отсек.

Построить в абсолютных величинах эпюры внешних нагрузок: перерезывающей силы Q_y и изгибающего момента M_z в вертикальной плоскости; перерезывающей силы Q_z и изгибающего момента M_y в горизонтальной плоскости; крутящего момента M_кр.

Относительные эпюры внешних нагрузок по длине отсека фюзеляжа даны без учёта нагружения фюзеляжа в зоне разрабатываемого отсека сосредоточенными нагрузками. Поэтому необходимо достроить эпюры в случае, если к отсеку приложены сосредоточенные силы от агрегатов или полезной нагрузки.

Произвести проектировочный расчёт отсека фюзеляжа на прочность в двух сечениях, рассчитать узлы крепления агрегатов и усиленный шпангоут.

При разработке конструкции герметичного отсека фюзеляжа указать на чертеже схемы герметизации.

Конструкцию окон кабин, входных дверей и люков рекомендуется заимствовать у аналогичных самолётов.

Корпус самолета служит для размещения экипажа, грузов, оборудования. К корпусу крепятся крылья, оперение, часто силовая установка и другие агрегаты самолета.

1. Технические требования и исходные данные

1.1 Требования, предъявляемые к фюзеляжу самолета Фюзеляж, соединяя в одно целое все части самолёта, предназначен для размещения экипажа, оборудования и перевозимой нагрузки (пассажиров, грузов и т. п.).

Большинство современных самолётов выполняется по однофюзеляжной схеме.

К фюзеляжу предъявляются следующие основные требования:

1. Аэродинамические требования — совершенство формы, отсутствие углов и выступов, а также открытых щелей и отверстий, гладкость поверхности. Для ослабления интерференции и уменьшения лобового сопротивления самолета необходимо плавно сопрягать фюзеляж с примыкающими к нему частями самолета.

2. Конструктивные требования — достаточная прочность (выполнение требований норм прочности), достаточная жесткость конструкции на изгиб и кручение, малый вес конструкции, рациональное расположение конструктивно-силовых элементов.

3. Эксплуатационные требования — максимальное использование внутренних объемов, доступность для осмотра и обслуживания всех частей, легкость ремонта, звукоизоляция, вентиляция и отопление помещений для пассажиров и экипажа, удобство размещения оборудования, достаточная живучесть конструкции при частичных разрушениях.

4. Производственно-экономические требования, из которых главными являются простота изготовления и невысокая стоимость.

1.2 Исходные данные Рисунок 1 — Исходные данные В таблице 1 приведены основные параметры самолёта и разрабатываемого агрегата.

Таблица 1 — Основные параметры самолета и разрабатываемого агрегата

Таблица 2 — Нагрузки от двигателя, кН

Таблица 3 — Величины нагрузок в сечении А-А

Шаг шпангоутов — 500 мм.

На рисунке 2 показаны эпюры нагрузок действующих в сечениях м= 4м/100мм = 0,04

м_н= 700кН/30мм = 23,33 (М_z)

м_н= 350кН/30мм = 11,67 (М_у)

м_н= 120кН/30мм = 4 (Q_у)

Рисунок 2- Схема нагружения

2. Техническое предложение

2.1 Конструктивно силовая схема агрегата Конструкция фюзеляжа состоит из силовой системы (каркас, оболочка), воспринимающей внешние нагрузки, и элементов вспомогательного назначения.

К элементам вспомогательного назначения относятся детали для местного усиления основной конструкции; детали для установки различных грузов, предметов вооружения и оборудования; детали, выполняющие специальное назначение и в то же время являющиеся частью конструкции фюзеляжа (например, пол в кабинах, противопожарные перегородки, всевозможные крышки люков, двери, броня в военных самолетах и т. д.).

Силовую систему данного отсека фюзеляжа представляем балочного типа.

Фюзеляж под действием распределенных и сосредоточенных сил работает в общем случае как балка на изгиб и кручение, при этом характер и степень нагружения элементов конструкции зависят от конструктивно-силовой схемы фюзеляжа.

В балочном фюзеляже изгибающие моменты воспринимаются лонжеронами, стрингерами и обшивкой; поперечные силы и крутящий момент воспринимаются обшивкой.

Из балочных фюзеляжей в настоящее время главным образом применяются три разновидности.

1 Конструкция, состоящая из мощных лонжеронов и слабого набора стрингеров и шпангоутов, с обшивкой, работающей при кручении фюзеляжа. Такой фюзеляж называется лонжеронным.

2. Конструкция, состоящая из работающей обшивки при изгибе и кручении фюзеляжа и частой сети стрингеров и шпангоутов. Такой фюзеляж называется стрингерным (полумонокок). Сюда входят также конструкции, в которых для усиления в местах крепления к фюзеляжу различных агрегатов и вырезов ставят усиленные стрингеры, часто называемые лонжеронами.

3. Конструкция, представляющая собой сравнительно толстую обшивку, подкрепленную только шпангоутами. В этой конструкции всю работу несет обшивка. Такой фюзеляж называется обшивочным (монокок).

Для конструирования я выбираю балочный фюзеляж стрингерного типа представленный на рис. 3.

1) обшивка;

2) ось шпангоута;

3,4) оси силовых шпангоутов

5) ось стрингера Рисунок 3- КСС балочного фюзеляжа стрингерного типа

2.2 Оценка конструктивной схемы фюзеляжа На основе анализа конструкций фюзеляжей различных типов представляется возможным дать их сравнительную оценку с точки зрения аэродинамики, прочности и жесткости, живучести и использования внутренних объемов.

Аэродинамика балочного фюзеляжа в наибольшей степени удовлетворяет современным требованиям. Жесткая обшивка обеспечивает балочному фюзеляжу гладкую и неизменяющуюся в полете поверхность.

Прочность и жесткость у балочных фюзеляжей обеспечиваются теми же элементами, которые создают и обтекаемую форму, т. е. материал конструкции используется рационально. В результате этого балочная конструкция обладает малым весом.

Живучесть конструкции балочного фюзеляжа не нарушается даже при многочисленных пробоинах в обшивке и при местных поломках.

Использование внутренних объемов у балочных фюзеляжей осуществляется наиболее эффективно, в то время как наличие поперечных элементов в ферменных фюзеляжах не дает возможности рационально использовать внутренние объемы.

2.3 Применяемые материалы Вся конструкция агрегата изготавливается из алюминиевого сплава: обшивка из материала Д16АТ, шпангоуты и стрингеры из материала Д16Т.

2.4 Конструкция элементов балочного фюзеляжа стрингерного типа

2.4.1 Шпангоуты Поперечный набор каркаса фюзеляжа составляют шпангоуты — нормальные и усиленные. Они представляют собой замкнутые рамы кольцевой формы. На стадии разработки приводим формы шпангоутов к круглой для упрощения их проектирования и расчёта.

Нормальные шпангоуты Нормальные шпангоуты выполнены из прессованных дуралюминовых профилей, согнутых по форме сечения фюзеляжа.

Основное назначение нормальных шпангоутов состоит в восприятии местной аэродинамической нагрузки и обеспечении соответствующей опоры для обшивки. Внешняя нагрузка, действующая на шпангоут, невелика, поэтому строительная высота шпангоута получается небольшой — достаточной, чтобы воспринять приходящиеся на него нагрузки, и вместе с тем не препятствовать свободному использованию внутреннего объема фюзеляжа.

Усиленные шпангоуты Усиленные шпангоуты устанавливаются в местах разъёма и стыковки других агрегатов с фюзеляжем: в местах соединения средней и задней части фюзеляжа, в местах крепления силовой установки.

Предназначены усиленные шпангоуты главным образом для восприятия сосредоточенных сил и моментов и передачи их на обшивку.

По конструктивным признакам шпангоуты можно разделить на ферменные и рамные. Для конструирования я выбираю нормальный рамный шпангоут и усиленный рамный шпангоут.

Усиленный рамный шпангоут имеет более сложное поперечное сечение. Внешний и внутренний обводы шпангоута изготовлены из прессованных профилей и соединены между собой стенкой.

2.4.2 Стрингеры По конструктивному выполнению стрингеры могут быть простыми, т. е. состоящими в сечении из одного конструктивного элемента, или составными, состоящими из нескольких элементов.

Стрингеры воспринимают совместно с обшивкой нормальные силы при изгибе и, как правило, проходят по всей длине фюзеляжа. Исключение составляют вспомогательные стрингеры, которые устанавливаются лишь на небольших по длине участках фюзеляжа. Вспомогательные стрингеры служат для местного подкрепления обшивки и для других вспомогательных целей: окантовки различных вырезов, окон, люков и т. п.

Простые стрингеры представляют собой, как правило, стандартные прессованные и, реже, гнутые профили. Для уменьшения массы площадь поперечного сечения профилей по длине может делаться переменной путем фрезерования. На рис. 4 изображены наиболее употребительные сечения прессованных и гнутых профилей, применяемых для изготовления стрингеров.

Рисунок 4 — Типовые сечения стрингеров фюзеляжа: апрессованные профили; б — гнутые профили Обычно сложный стрингер склепывается из двух, реже трех профилей (рис.5). Это позволяет усилить стрингер в нужных сечениях и благодаря этому отказаться от фрезерования. Иногда применение составного стрингера вызывается технологическими соображениями.

Рисунок 5 — Сечения сложных стрингеров фюзеляжа

2.4.3 Обшивка Обшивка изготовляется из отдельных листов, отформованных по поверхности фюзеляжа. Обшивка крепится к каркасу фюзеляжа чаще всего потайной клёпкой. Соединение листов обшивки производится преимущественно встык (рис.6).

Рисунок 6 — Соединение обшивки встык со шпангоутом

В балочных фюзеляжах независимо от их типа обшивка является силовым элементом. Поэтому в местах вырезов в обшивке должны быть сделаны местные, подкрепления.

2.5 Узлы крепления к фюзеляжу отдельных агрегатов Крепление к фюзеляжу отдельных агрегатов осуществляется при помощи узлов. На задней части фюзеляжа устанавливаются узлы крепления двигателей.

Конструкция узлов должна быть тесно увязана как с силовой схемой фюзеляжа, так и с силовой схемой стыкуемого агрегата. Все узлы должны монтироваться на усиленных элементах каркаса фюзеляжа (усиленные шпангоуты).

2.6 Конструктивные особенности герметических кабин Герметическая кабина представляет собой герметизированный отсек фюзеляжа, внутри которого при полете на больших высотах поддерживается избыточное давление.

Лучшей формой кабины, нагруженной изнутри избыточным давлением, является круглый цилиндр со сферическими днищами, так как в этом случае оболочка работает только на растяжение.

Фюзеляжи современных самолетов представляют собой преимущественно клепаные конструкции. Кабины, как часть фюзеляжа, имеют такую же конструкцию, только герметизированную. Герметичными должны быть все заклепочные швы, должна быть обеспечена герметизация всех люков и дверей, а также выводов из кабины тяг и тросов управления, различных трубопроводов и электропроводки.

Стык листов обшивки производится, как правило, по элементам продольного и поперечного наборов. Герметизация в местах стыка листов обшивки обеспечивается постановкой термостойких уплотнительных материалов и применением многорядных заклепочных швов с малым шагом заклепок. Уплотнительные материалы должны обладать вибростойкостью, быть влагоустойчивыми и не менять своих свойств при изменении температуры в заданных пределах.

На рис. 10 показаны типовые герметизированные стыки листов обшивки фюзеляжа.

При стыке с помощью двух накладок герметизация производится уплотнительной лентой и постановкой двухрядного заклепочного шва (рис. 7, а). Аналогично производится герметизация стыка листов по элементам каркаса (рис. 7,б). Высокая герметизация стыка достигается при наклейке воздухонепроницаемой ленты (рис. 7, в).

Рисунок 7 — Типовые герметизированные стыки листов обшивки фюзеляжа: 1 — обшивка; 2 -накладка; 3 — уплотнительная лента фюзеляж самолет обшивка шпангоут

3. Эскизный проект По моему решению геометрические характеристики обшивки и шпангоутов, будут определяться расчетами на прочность конструкции.

3.1 Раскрой листов обшивки

При формировании схемы раскроя обшивки целесообразно придерживаться следующих рекомендаций:

— число листов (панелей) должно быть минимальным, т. е. необходимо уменьшать количество стыков;

— верхний свод необходимо составлять из трёх листов (панелей), нижний из четырёх;

— стыки отдельных листов должны располагаться в шахматном порядке;

— все стыки должны опираться на элементы силового набора (нормальные и силовые шпангоуты);

— окончательно размеры листов необходимо откорректировать с учётом размеров стандартных листовых полуфабрикатов и возможностей обрабатывающего оборудования.

3.1.1 Раскрой листов в сечении 1−1

Рисунок 8 — Раскрой листа обшивки в сечении 1−1

1) Раскраиваем обшивку на 8 частей

Диаметр фюзеляжа d = 2,4 м

2) Определяем длину дуги панели

?l = l / 8

где, l — периметр сечения;

8 количество частей

l = р * d = 3,14 * 2,4 = 7,5 м

?l = 7,5 / 8 = 0,94 м Длина панелей 1 м — для стыковки их на шпангоутах Ширина панели в сечении 1−1 0,94 м, в местах стыка панели устанавливаем стрингеры.

3.1.2 Раскрой листов в сечении 2−2

Рисунок 9 — Раскрой листа обшивки в сечении 2−2

1) Раскраиваем обшивку на 8 частей

Диаметр фюзеляжа d = 2,2 м

2) Определяем длину дуги панели

?l = l / 8

где, l — периметр сечения;

8 количество частей

l = р * d = 3,14 * 2,2 = 6,9 м

?l = 6,9/8= 0,86 м Длина панелей 1 м — для стыковки их на шпангоутах Ширина панели в сечении 2−2 0,86 м, в местах стыка панели устанавливаем стрингеры.

3.1.3 Раскрой листов в сечении 3−3

Рисунок 10 — Раскрой листа обшивки в сечении 3−3

1) Раскраиваем обшивку на 8 частей

Диаметр фюзеляжа d = 2 м

2) Определяем длину дуги панели

?l = l / 8

где, l — периметр сечения;

8 количество частей

l = р * d = 3,14 * 2 = 6,28 м

?l =6,28/8= 0,79 м Длина панелей 1 м — для стыковки их на шпангоутах Ширина панели в сечении 3−3 0,79 м, в местах стыка панели устанавливаем стрингеры.

3.1.4 Раскрой листов в сечении 4−4

Рисунок 11 — Раскрой листа обшивки в сечении 4−4

1) Раскраиваем обшивку на 8 частей

Диаметр фюзеляжа d = 1,9 м

2) Определяем длину дуги панели

?l = l / 8

где, l — периметр сечения;

8 количество частей

l = р * d = 3,14 * 1,9 = 6 м

?l = 6/ 8 = 0,75 м Длина панелей 1 м — для стыковки их на шпангоутах Ширина панели в сечении 4−4 0,75 м, в местах стыка панели устанавливаем стрингеры.

3.2 Расчёт обшивки Исходные данные:

Для материала Д16АТ:

у_в = 435 МПа; у_т = 320 МПа; ф = 280 МПа

3.2.1 Расчёт обшивки в сечении 1−1

3.2.1.1 Определяем осевую силу в верхней и нижней панелях где, М_в — изгибающий момент в вертикальной плоскости;

Н — высота сечения 1−1

=437,5 кН

3.2.1.2 Определяем осевую силу в боковой панели где, М_г — изгибающий момент в горизонтальной плоскости;

В — ширина сечения 1−1

=219 кН

3.2.1.3 Определяем площади сечения панелей где, у_в = 435 МПа

=1,005 м² -площадь сечения растянутой панели;

==1,68 м² — площадь сечения сжатой панели;

F₂>F₁

==0,84 м² — площадь сечения боковой панели

3.2.1.4 Определяем толщину обшивки

где l — длина дуги панели

=1,07, принимаем 1,2 мм;

=1,8 мм;

=0,9 мм

3.2.2 Расчёт обшивки в сечении 2−2

3.2.2.1 Определяем осевую силу в верхней и нижней панелях где, М_в — изгибающий момент в вертикальной плоскости;

Н — высота сечения 2−2

=318,4 кН

3.2.2.2 Определяем осевую силу в боковой панели где, М_г — изгибающий момент в горизонтальной плоскости;

В — ширина сечения 2−2

=175,2 кН

3.2.2.3 Определяем площади сечения панелей где, у_в = 435 МПа

=0,732 м² -площадь сечения растянутой панели;

==1,22 м² — площадь сечения сжатой панели;

F₂>F₁

==0,67 м² — площадь сечения боковой панели

3.2.2.4 Определяем толщину обшивки

где l — длина дуги панели

=0,85, принимаем 0,9 мм;

=1,4 мм;

=0,8 мм

3.2.3 Расчёт обшивки в сечении 3−3

3.2.3.1 Определяем осевую силу в верхней и нижней панелях где, М_в — изгибающий момент в вертикальной плоскости;

Н — высота сечения 3−3

=262,5 кН

3.2.3.2 Определяем осевую силу в боковой панели где, М_г — изгибающий момент в горизонтальной плоскости;

В — ширина сечения 3−3

=148,5 кН

3.2.3.3 Определяем площади сечения панелей где, у_в = 435 МПа

=0,6 м² -площадь сечения растянутой панели;

==1,005 м² — площадь сечения сжатой панели;

F₂>F₁

==0,569 м² — площадь сечения боковой панели

3.2.3.4 Определяем толщину обшивки

где l — длина дуги панели

=0,76, принимаем 0,8 мм;

=1,3 мм;

=0,7 мм

3.2.3 Расчёт обшивки в сечении 4−4

3.2.4.1 Определяем осевую силу в верхней и нижней панелях где, М_в — изгибающий момент в вертикальной плоскости;

Н — высота сечения 4−4

=165,8 кН

3.2.4.2 Определяем осевую силу в боковой панели где, М_г — изгибающий момент в горизонтальной плоскости;

В — ширина сечения 4−4

=138,2 кН

3.2.4.3 Определяем площади сечения панелей где, у_в = 435 МПа

=0,38 м² -площадь сечения растянутой панели;

==0,64 м² — площадь сечения сжатой панели;

F₂>F₁

==0,53 м² — площадь сечения боковой панели

3.2.4.4 Определяем толщину обшивки

где l — длина дуги панели

=0,5 мм;

=0,9 мм;

=0,7 мм

3.3 Расчёт нормальных шпангоутов

3.3.1 Расчёт нормальных шпангоутов в сечении 1−1

3.3.1.1 Высота стенки

h_ст = 0,03•D_ф,

где, D_ф = 2,4 — диаметр фюзеляжа в сечении 1−1

h_ст = 0,03•2,4 = 0,072 м

3.3.1.2 Ширина полок

b_п = 0,5• h_ст = 0,5•0,072 = 0,04 м

3.3.1.3 Толщина стенки полки Толщина стенки полки выбирается в зависимости от типа панелей и толщины обшивки, а также для обеспечения равножёсткого соединения.

д_п1 = 1,5• д_обш1 = 1,5•1,2 = 1,8 мм, принимаем 2 мм — толщина верхней полки шпангоута;

3.3.2 Расчёт нормальных шпангоутов в сечении 4−4

3.3.2.1 Высота стенки

h_ст = 0,03•D_ф,

где, D_ф = 1,9 — диаметр фюзеляжа в сечении 4−4

h_ст = 0,03•1,9 = 0,057 м

3.3.2.2 Ширина полок

b_п = 0,5• h_ст = 0,5•0,057 = 0,029 м

3.3.2.3 Толщина стенки полки д_п1 = 1,5• д_обш1 = 1,5•0,5 = 0,75 мм, принимаем 1 мм — толщина верхней полки шпангоута;

3.4 Расчёт усиленных шпангоутов

3.4.1 Расчёт усиленного шпангоута в сечении 2−2

3.4.1.1 Высота стенки

h_ст = 0,03•D_ф,

где, D_ф = 2,2 — диаметр фюзеляжа в сечении 2−2

h_ст = 0,03•2,2 = 0,066 м

3.4.1.2 Ширина полок

b_п = 0,5• h_ст = 0,5•0,066 = 0,033 м

3.4.1.3 Толщина стенки полки д_п1 = 1,5• д_обш1 = 1,5•0,9 = 1,8 мм, принимаем 2 мм — толщина верхней полки шпангоута;

3.4.1 Расчёт усиленного шпангоута в сечении 3−3

3.4.2.1 Высота стенки

h_ст = 0,03•D_ф,

где, D_ф = 2 — диаметр фюзеляжа в сечении 3−3

h_ст = 0,03•2 = 0,06 м

3.4.2.2 Ширина полок

b_п = 0,5• h_ст = 0,5•0,06 = 0,03 м

3.4.2.3 Толщина стенки полки д_п1 = 1,5• д_обш1 = 1,5•0,8 = 1,6 мм, — толщина верхней полки шпангоута;

4. Технический проект По результатам расчетов на прочность задней части фюзеляжа определяется полная его геометрия. Расчет на прочность дает положительные результаты. Все детали элементов конструкции имеют требуемый запас прочности. За счет проверочного расчета на прочность удалость спроектировать конструкцию, которая будет иметь вес меньший, чем конструкция, спроектированная без расчетов на прочность.

Исходя из расчетов геометрических параметров деталей элементов конструкции, оформляем графическую часть проекта.

1) О. А. Гребеньков. Конструкция самолетов.- Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2008. -320 с.

2) М. Н. Шульженко, А. С. Мостовой. Конструкция самолетов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М. Машиностроение, 1971. -416 с.

3) Е. С. Войт, А. И. Ендогур Проектирование конструкций самолётов М. Машиностроение, 1987. -416 с.