Конструкция самолётов

 

Рис. 51. Общий вид фюзеляжа, как  прикреплённая к крылу балка (а) или как прикреплённая к крылу  рама (двухопорная схема)(б):

1 - шпангоуты; 2, 4 – лонжероны крыла; 3 – точки опор фюзеляжа.

         

 

 

Рис. 52. Силы, действующие на фюзеляж и их эпюры:

силы, действующие на фюзеляж; эпюры перерезывающей силы - Q_в, Q_г, эпюры изгибающих моментов М_z, М_y, эпюры крутящих моментов М_к.

 

Рис. 53. Силы, действующие на хвостовую  часть фюзеляжа во время полёта.

 

Нагрузка на фюзеляж, очень похожа на работу крыла под нагрузкой. Но отличие нагрузки фюзеляжа от нагрузки крыла в том, что распределённые по внешней поверхности фюзеляжа аэродинамические силы относительно сосредоточенных сил не очень влияют на прочность фюзеляжа.

 

Конструктивно-силовые схемы фюзеляжей

 

Фюзеляжи, по своим конструктивно-силовым  схемам делятся на ферменные и  балочные.

Фюзеляжи ферменной  конструкции (рис. 54) представляют собой пространственные фермы, состоящие из двух вертикальных (боковых) и двух горизонтальных (верхней и нижней) ферм, элементы которых (стержни) работают на растяжение-сжатие, а обшивка - на местную воздушную нагрузку. В таком фюзеляже силовыми элементами являются лонжероны 4 (пояса ферм), стойки 1 и раскосы 2 в вертикальной плоскости, распорки 6 и расчалки (гибкие стальные ленты) 3 в горизонтальной плоскости, расчалки 3 или раскосы между фермами и обшивка. Такие схемы фюзеляжей широко применялись в годы мировой войны.

Рис. 54. Каркас ферменного фюзеляжа:

1-стойка; 2-раскос; 3-расчалка; 4-пояс (лонжерон); 5-диагонал; 6-распорка

 

В ферменном  фюзеляже на осевые силы от изгиба (от действия М_Z и М_Y) работают в основном пояса лонжеронов. Поперечные силы Q_В и Q_Г воспринимаются элементами вертикальных (боковых) и горизонтальных (верхней и нижней) ферм - стойками, распорками и раскосами; крутящий момент М_К - пространственной фермой, состоящей из четырех ферм, соединенных в замкнутый контур. На ферму также крепятся узлы для крепления крыльев, оперения, шасси и других частей.

Недостатками ферменных  фюзеляжей является: не образуют гладкий  аэродинамический обвод, малопрочны, малый  срок службы, малая надёжность, нет  возможности полностью использовать пустое пространство.

Балочные  фюзеляжи состоят из тонкостенной работающей замкнутой оболочки и подкрепляющего ее каркаса. Различают балочно-лонжеронные, балочно-стрингерные и балочно-обшивочные фюзеляжи. В таких балочных фюзеляжах материал их конструкции распределен достаточно равномерно по периметру сечений (максимально разнесен относительно нейтральной оси) и используется, поэтому наиболее целесообразно при восприятии различных нагрузок (рис. 41).

Балочно-лонжеронный  фюзеляж. В таком фюзеляже основными силовыми элементами являются мощные лонжероны, воспринимающие изгибающие моменты (рис. 55, а). Обшивка тонкая, подкрепленная стрингерами и шпангоутами, чтобы не теряла устойчивость при работе на сжатие от М_Z и М_Y и на сдвиг от поперечных сил Q_В и Q_Г и крутящего момента М_к.  Лонжероны в таком фюзеляже отличаются от лонжеронов крыла тем, что не имеют стенки и представляют собой те же стрингеры, только значительно большего поперечного сечения, выполненные прессованием или прокаткой. В конструкции такого фюзеляжа лонжероны 1 и 2 расположены вдоль всего фюзеляжа.

       а)     б)     в)

 

Рис. 55. КСС балочных фюзеляжей.

а – балочно-лонжеронная схема; б – балочно-стрингерная схема;

в – балочно-обшивочная схема: 1 –  шпангоут; 2 – стрингеры;

3 – лонжероны (усиленные стрингерлар); 4 – обшивка.

 

Балочно-стрингерные  фюзеляжи состоят из обшивки, подкрепленной стрингерами и шпангоутами (рис. 55, б), работающей совместно со стрингерами на осевые силы (растяжение - сжатие) при восприятии изгибающих моментов М_Z и М_Y и на сдвиг от перерезывающих сил Q_В и Q_Г и от крутящего момента М_К.  В балочно-стрингерных фюзеляжах шпангоуты ставятся чаще, чтобы повысить устойчивость работы стрингеров на сжатие и обшивки - на сдвиг и сжатие за счет уменьшения расстояний между их опорами. Шаг стрингеров в таких конструкциях, зависящий от толщины обшивки S_об, принимается в пределах 100...200 мм, а шаг шпангоутов - 200...500 мм в зависимости от значений S_об, конфигурации и размеров сечения стрингеров. При использовании для обшивки фюзеляжа монолитных панелей шаг между шпангоутами увеличивается.

Во многих случаях  на самолётах применяются балочно-стрингерные схемы фюзеляжей. Масса фюзеляжа составляет от взлётной массы самолёта 8…15 % и от массы планера 40%. Конструктивные элементы фюзеляжа составляют от его массы: обшивка – 20…30%, стрингера – 12…20 %, шпангоуты – 20…27 %, пол – 6…12 %, фонарь пилотов – на легких самолётах 10…12 %, тяжёлых самолётах 2…3 %, двери, трапы, люки, перегородки и другое – для лёгких самолётов 13…17 %, тяжёлых 12…15 %.

Балочно-стрингерный  фюзеляж пассажирского самолёта показан на           рис. 55.1, а. Технологическими разъёмами фюзеляж этого самолёта разделён на носовую, среднюю и хвостовую части.

В носовой части фюзеляжа 1 расположена кабина экипажа 2, переднее багажное отделение, буфет и передняя стойка шасси.

В средней части фюзеляжа 8 находится передний вестибюль, кухня, пассажирская кабина, туалеты и заднее багажное отделение. Снизу, спереди, здесь встроен центроплан 10, а в задней части – пилоны с узлами крепления гондол двигателей 7 и передние узлы крепления киля.

В хвостовой части фюзеляжа 6 размещаются контейнер тормозного парашюта, высотное, электро- и гидравлическое оборудование, проводка управления самолётом. Сверху установлены задние узлы крепления киля 5. По правому борту спереди – служебная дверь 3 (рис. 55.1, а), по левому борту – дверь 11 для пассажиров. Для аварийного покидания есть четыре люка 9, по два с каждой стороны, с выходом на крыло в случае посадки на воду или без шасси на грунт. Фюзеляж разделён плоскостью пола 4 на верхнюю и нижнюю части.

 

   

Рис. 55.1 Конструкции фюзеляжа пассажирского самолёта, соединений обшивки,

шпангоутов и стрингеров между собой

 

Каркас фюзеляжа состоит из стрингеров, лонжеронов, нормальных 16 и усиленных 18 шпангоутов (рис. 55.1, б), воспринимающих сосредоточенные силы от агрегатов самолёта, крепящихся к фюзеляжу, поперечных двухтавровых балок 12 на каждом шпангоуте средней части фюзеляжа, составляющих каркас пола кабины  (вид Б на рис. 55.1, а). Стрингеры 17 и обшивка в местах технологических разъёмов фюзеляжа стыкуются по силовым шпангоутам разъёма болтами 14; обшивка по контуру по стыковым угольникам 13 на носовой, средней и хвостовых частях фюзеляжа (сечение В-В на рис. 55.1, а), а стрингеры 17 перестыковываются с помощью фитингов 19 через стыковые шпангоуты посредством болтов (рис. 55.1, б). Обшивка из дюралевых листов толщиной до 1,5…1,8 мм соединяются со стрингерами непосредственно заклёпками, а со шпангоутами – при помощи книц 20 и накладок 21. Стрингеры со шпангоутами 16 соединяются при помощи уголков 15.

Балочно-обшивочные фюзеляжи состоят из обшивки, подкрепленной набором нормальных и усиленных шпангоутов (рис. 55, в).  Обшивка воспринимает все виды нагрузок: Q_В, Q_Г, М_Z, М_Y и М_К и работает как на нормальные, так и на касательные напряжения.  Чтобы обшивка не теряла устойчивости, увеличивают ее толщину, что приводит к увеличению массы обшивки и всего фюзеляжа.  Снизить массу фюзеляжу и повысить одновременно его жесткость можно, применив многослойную обшивку с заполнителем. Балочно-обшивочные фюзеляжи с работающей на все виды нагрузок толстой обшивкой обладают высокой боевой живучестью.

Нельзя в конструкции  фюзеляжа использовать лишь одну схему, указанных выше, т.к. во время полёта на фюзеляж действуют различные  по силе и направлению нагрузки и  моменты. Кроме этого в фюзеляже должны быть вырезы под фонарь пилотов, двери, люки, поэтому в конструкции фюзеляжа используются две и более конструктивных балочных схем.

Работа фюзеляжа и  крыла под нагрузкой очень  похожи, поэтому есть сходство между  конструктивными элементами фюзеляжа и крыла в их назначении и работе (рис. 56).

 

Рис. 56. Сходство конструкция крыла  и фюзеляжа.

 

 

	Кессонная часть крыла	«Балочно-лонжеронная» схема  фюзеляжа
1	обшивка крыла	обшивка фюзеляжа
2	типовые стрингеры крыла	типовые стрингеры фюзеляжа
3	пояса лонжерона	лонжерон (усиленный стрингер)
4	стенки лонжерона	боковая часть обшивки
5	типовые нервюры	типовые шпангоуты

 

Конструкции основных силовых  элементов фюзеляжа.

 

Рассмотренные выше вопросы нагружения и работы под нагрузкой балочных фюзеляжей позволяют сделать  вывод, что назначение основных элементов их силовой схемы подобно назначению соответствующих элементов крыльев, так как балочные фюзеляжи, как и крылья, от основных внешних нагрузок работает одинаково.

К основным силовым элементам фюзеляжа относятся: обшивка, шпангоуты, стрингера или лонжероны (усиленные стрингера). Фюзеляжи больших самолётов не изготавливаются цельными, а состоят из нескольких отсеков (частей), и стыкуются по осям усиленных шпангоутов (рис. 57).

 

Рис. 57. Конструктивно-технологическое  членение фюзеляжа:

1 – носовая часть  (Ф-1); 2 – средняя часть (Ф-2); хвостовая  часть (Ф-3).

 

Обшивка в фюзеляже выполняет те же функции, что и в крыле. Она придает форму фюзеляжу, защищает экипаж, пассажиров, оборудование и грузы от набегающего потока воздуха. Обшивка работает совместно с подкрепляющими её стрингерами на растяжение - сжатие (на нормальные напряжения) от действия изгибающих моментов и на сдвиг (на касательные напряжения) от действия поперечных сил и крутящего момента.  Особенности в работе обшивки в фюзеляже обусловлены тем, что герметизированные его отсеки (кабины) нагружаются значительным избыточным давлением Dр.

Обшивку можно выполнять из листового  материала, панелей с продольным набором, панелей с сотовым (или  другим) заполнителем или монолитной. Особое внимание уделяется стыкам обшивки (рис. 58), где возможны противоречия требований аэродинамики (получение гладкой обшивки) требованиям обеспечения высокого ресурса, минимальной массы и т.д.

Наиболее рациональным типом стыка  как продольного, так и поперечного для фюзеляжей является стык внахлестку на элементах силового набора  (рис. 58, г, д). Это объясняется тем, что соединение внахлестку, имеющее три или четыре ряда заклепок с центральным расположением стрингера и «мягким», свисающим со стрингера в обе стороны началом стыка в виде нахлеста из двух листов, выполняется без стыкующих накладок.

Однако для лёгких самолётов  рациональными могут оказаться  стыки обшивки, показанные на рис. 58, а – встык на элементах силового набора,            рис. 58, б – внахлёстку с подсечкой и рис. 58, в – внахлёстку без подсечки.

Стрингеры и  лонжероны (усиленные стрингеры) изготавливаются из прессованных или гнутых профилей. Наиболее часто применяются стрингеры уголкового, Z-образного и Т-образного профилей. Для повышения сопротивления усталости в районах с большими знакопеременными нагрузками, например, в районе акустических нагрузок, ставят стрингеры П-образного профиля с двойными полками для повышения жесткости заделки и улучшения условий работы обшивки. На участках больших вырезов устанавливают усиленные стрингеры, воспринимающие большие осевые силы от изгиба фюзеляжа. Крепят стрингеры к обшивке и шпангоутам. Различные варианты профилей стрингеров представлены на рис. 59.

 

Рис. 59. Профиля стрингеров и лонжеронов (усиленных стрингеров):

а) прессованные профили; б) гнутые профили; в) профили сложного сечения.

 

Шпангоуты (от голландского слова «spanthout» – “балка”) в фюзеляже выполняют те же функции, что и нервюры в крыле. По назначению шпангоуты разделяются на нормальные (служат для придания формы фюзеляжу и подкрепления обшивки и стрингеров) и усиленные (для восприятия поперечных сосредоточенных сил от крыла, оперения, шасси, двигателей и грузов и передачи их на обшивку). Шпангоуты, имея высокую жёсткость в своей плоскости, хорошо работают на поперечный изгиб в своей плоскости, опираясь на обшивку. Типичные сечения шпангоутов приведены на рис. 60. Наличие двух поясов и стенки в сечениях шпангоутов обеспечивает их работу на изгиб и сдвиг, а также повышает сопротивление усталости при акустических нагрузках. Для повышения живучести шпангоуты часто делают составными из нескольких частей.

Крепление элементов  фюзеляжа между собой производится заклёпочными и болтовыми соединениями, также сваркой или клеем. Стрингера  со шпангоутами соединяются между собой с помощью уголков (книц), а с усиленными шпангоутами с помощью уголков или фитингов. Типовые узлы крепления элементов фюзеляжа между собой показаны на рис. 61 и 62.