Рис. 14.3. Нагрузки на силовые элементы крыла
а - нагрузки от обшивки на нервюры и стрингеры;
б - нагружение и уравновешивание нервюры;
в - нагружение и уравновешивание стенки и поясов лонжерона
1 - стрингер, 2 – нервюра.
3. Стрингеры работают на поперечный изгиб как многоопорные балки. Они передают приходящую к ним нагрузку на нервюры в виде сосредоточенных сил Rн. На нервюры передаются также нагрузки от креплений грузов и конструкций, установленных на крыле.
4. Схема нагружения и уравновешивания нервюры показана на
рис. 14.3, б. Здесь Δ YН — равнодействующая нагрузок, приходящихся на нервюру от обшивки и стрингеров. Она приложена в центре нагрузок сечения крыла и уравновешена реакциями Δ Q1 + Δ Q2 = Δ Q. Эти реакции вызывают погонные касательные усилия q1 и q2, которые возникают от заклепочных швов соединений нервюры со стенками лонжеронов.
Момент Δ YН · а стремится повернуть нервюру относительно центра жесткости сечения крыла. Он уравновешен крутящим моментом Δ Мкрут от потока касательных усилий Δ qкрут, возникающего в замкнутом контуре соединения нервюры со стенками лонжеронов и с верхней и нижней обшивкой.
Под действием указанных нагрузок и реакций нервюра работает на изгиб и сдвиг в своей плоскости.
5. От нервюры на стенки лонжеронов и обшивку действуют потоки
Δ q1, Δ q2, Δ qкрут, равные потокам, идущим на нервюру от стенок и обшивки, и в сумме эквивалентные нагрузке на нервюру Δ Yн.
Рассмотрим нагружение и уравновешивание стенки лонжерона
(рис. 14.3, в и 14.4).
Рис 14.4 Схемы возникновений осевых сил в панелях Рпан, поперечной
силы Q в стенках кессона (а) и нагружения контура крутящим
моментом Мкрут (б)
Свободный конец лонжерона находится у нервюры Н1, лонжерон крепится к центроплану у нервюры Н4.
От нервюр Н1, Н2, Н3, Н4 на стенку передаются потоки касательных усилий Δ q11, Δ q12, Δ q13, Δ q14.
Стенка уравновешивается потоками усилий q1-2 = Δ q11, q2-3 = q1-2 + Δ q12, q3-4 = q2-3 + Δ q13, которые возникают в соединении стенки с поясами лонжерона и потоком q4 = q3-4 + Δ q14, который действует в соединительном шве крепления стенки к центроплану.
По закону парности касательных напряжений погонные касательные усилия q и напряжения τ = q/δ в вертикальном и горизонтальном сечениях, проходящих через определенную точку стенки, равны.
Значения q и τ скачкообразно возрастают при переходе от нервюры к нервюре и движении в направлении от конца к корню крыла.
Также скачкообразно меняется и эпюра поперечных сил Q
(рис. 14.4, а), но при построении ее расчетным путем (без учета дискретного приложения нагрузок к стенкам) она имеет вид, показанный на рисунке штриховой линией.
При непараллельности поясов на стенки передаются дополнительные нагрузки от Мизг.
Стенка, которая нагружена потоками погонных касательных усилий Δ q и q,работает на сдвиг.
6. Потоки усилий qi (см. рис. 14.3, в)передаются от стенки через заклепочные швы (или соединения другого типа) на пояса лонжерона и нагружают пояса осевыми усилиями. Их величина увеличивается от конца к корню крыла.
Пояса входят в состав панелей. Поэтому определенная доля осевых нагрузок снимается с них обшивкой и передается на стрингеры за счет работы обшивки на сдвиг.
Осевые нагрузки вызывают растяжение или сжатие элементов панелей. На рис. 14.3, в верхний пояс сжимается, а нижний растягивается усилиями Рп1.
На рис. 14.4, а показана эпюра осевых сил в панели Рпан вдоль размаха крыла.
Внутренние усилия растяжения и сжатия панелей Рпаи в каждом сечении крыла образуют пару сил, момент которой и является изгибающим моментом крыла в данном сечении Мизг.
Поперечная сила Q = Q1 + Q2.
У борта фюзеляжа усилия Q и изгибающий момент Мизг передаются на узлы крепления консоли крыла к фюзеляжу или центроплану.
Крутящие моменты Δ Мкрут, которые передаются нервюрами на замкнутый контур в виде потоков касательных усилий Δ qкрут, скачкообразно накапливаются от конца к корню крыла (см. рис. 14.4, б). Они уравновешиваются в сечениях крыла крутящим моментом Мкрут, распределенным по контуру сечения в виде погонных касательных усилий Δ qкрут.
Под действием касательных усилий обшивка работает на сдвиг.
На рис. 14.4, б штриховой линией показана эпюра крутящих моментов, построенная без учета дискретной передачи нагрузок на замкнутый контур.
Выше была рассмотрена схема передачи сил от обшивки к стенкам. Она справедлива для крыла с обшивкой, которая имеет невысокую изгибную жесткость.
В крыле с более жесткой обшивкой возможна передача воздушной нагрузки от обшивки к стенкам, как через нервюры, так и минуя их.
Сделаем краткие выводы о назначении и работе силовых элементов, которые образуют основную силовую схему крыла. Она обеспечивает общую прочность балки крыла.
Обшивка:
- придает крылу обтекаемую форму;
- воспринимает воздушную нагрузку. При этом она работает на поперечный изгиб. При наличии прогиба обшивка работает также и на растяжение (цепные напряжения);
- при изгибе и кручении балки крыла обшивка работает также на растяжение (или сжатие) и на сдвиг.
Лонжероны.
Пояса лонжеронов, работают на растяжение или сжатие. Они воспринимают часть изгибающего момента.
Стенки лонжеронов воспринимают поперечную силу и совместно с обшивкой воспринимают крутящий момент. Они работают на сдвиг.
Стрингеры:
- воспринимают вместе с обшивкой часть изгибающего момента. При этом они работают на растяжение или сжатие;
- передают воздушную нагрузку от обшивки на нервюры, работая на поперечный изгиб.
- стрингеры, являются опорами обшивки, они повышают ее критические напряжения и уменьшают местные деформации.
Нервюры:
- сохраняют заданную форму профиля крыла;
- передают на лонжероны и обшивку нагрузки от воздушных и массовых сил;
- повышают критические напряжения обшивки и стрингеров, так как они являются опорами обшивки и стрингеров.
Соединения связывают между собой основные силовые элементы и передают силы от одних частей силовой схемы к другим.
В конструкцию крыла входит также ряд деталей, не относящихся к силовой схеме (законцовки крыла, зализы, ленты или крышки, закрывающие щели в плоскостях разъемов крыла, вспомогательные стенки перед элеронами и др.). Эти детали воспринимают приходящиеся на них местные нагрузки, передают их на основные силовые элементы, для чего они должны обладать необходимой прочностью.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В СЕЧЕНИИ КРЫЛА
Напряженно-деформированное состояние крыла можно рассмотреть, используя метод сечений. В сечении крыла действуют внутренние силовые факторы: поперечная сила Q, крутящий момент Мкрут (в плоскости сечения) и изгибающий момент Мизг (из плоскости) (рис. 14.5).
Силовые элементы в современных авиационных конструкциях проектируются в соответствии с принципом распределения усилий для наилучшего (с точки зрения экономии массы конструкции) использования их несущей способности:
1.Изгибающий момент Мизг распределяется в основном между верхней и нижней панелями балки крыла в виде пары осевых усилий Pпан = Мизг / Н.
Чтобы Рпан было меньше, панели удаляют на максимально возможную в пределах профиля сечения рабочую высоту Н. В сечении панели сила Рпан распределяется в виде нормальных напряжений σMизг между поясами (полками) лонжеронов, стрингерами и обшивкой пропорционально их несущей способности на растяжение и сжатие, характеризуемой в пределах упругости значениями жесткости ЕiFi.
Рис 14. 5. Усилия в сечении крыла и соответствующие им напряжения
в элементах
Действием Мизг на стенки лонжеронов можно пренебречь, так как они расположены вблизи нейтральной плоскости изгиба и σ в них невелики. Но при непараллельности поясов изгибающий момент Мизг вызывает в стенках дополнительные поперечные нагрузки, которые суммируются с Q.
2. Усилие Q распределяется в основном между стенками лонжеронов в виде касательных напряжений τа. Стенки обладают наибольшей несущей способностью в восприятии Q, так как расположены в направлении ее действия и имеют большую жесткость на сдвиг GiEi, чем другие элементы сечения.
3. Крутящий момент Мкрут распределяется в основном в виде напряжений τМкрут, действующих в элементах сечения тонкостенной замкнутой конической оболочки, образованной обшивкой и стенками лонжеронов. Эта оболочка обладает наибольшей несущей способностью для восприятия Мкрут, так как имеет замкнутый контур, заполняющий большую часть профиля сечения, т. е. ее крутильная жесткость GJкрут значительно больше, чем у других элементов (стрингеров, поясов).