Материал: Выбор оптимальной по весу и прочности формы поперечного сечения отсека фюзеляжа

Выбор оптимальной по весу и прочности формы поперечного сечения отсека фюзеляжа

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Выбор оптимальной по весу и прочности формы поперечного сечения отсека фюзеляжа»

Оглавление

Введение

. Теоретические основы конструкции и прочности ЛА

.1 Описание и назначение технических характеристик фюзеляжа самолёта

. Исследование оптимальной формы поперечного сечения фюзеляжа пассажирского самолёта

.1 Возможные формы поперечного сечения

.2 Нагрузки действующие на фюзеляж (типовые эпюры нагрузок действующих на фюзеляж)

.3 Расчёт НДС

.4 Сравнение форм по весу

Заключение

Список Использованной Литературы

Введение

Фюзеляж самолета предназначен для размещения экипажа, оборудования и целевой нагрузки. В фюзеляже может размещаться топливо, шасси, двигатели.

Являясь строительной основой конструкции самолета, он объединяет в силовом отношении в единое целое все его части.

Основным требованием к фюзеляжу является выполнение им своего функционального назначения в соответствии с назначением самолета и условиями его использования при наименьшей массе конструкции фюзеляжа.

Выполнение этого требования достигается:

выбором таких внешних форм и значений параметров фюзеляжа, при которых получаются минимальное его лобовое сопротивление и наибольшие полезные объемы при определившихся габаритах;

использованием несущих фюзеляжей, создающих значительную (до 40 %) подъемную силу в интегральных схемах самолета. Это позволяет уменьшить площадь крыла и снизить его массу;

рациональным использованием полезных объемов за счет повышения плотности компоновки, а также за счет более компактного размещения грузов вблизи ЦМ. Это способствует уменьшению массовых моментов инерции и улучшению характеристик маневренности, а сужение диапазона изменения центровок при различных вариантах загрузки, выгорании топлива, расходе боеприпасов обеспечивает большую стабильность характеристик устойчивости и управляемости самолета;

согласованием силовой схемы фюзеляжа с силовыми схемами присоединенных к нему агрегатов. При этом необходимо обеспечить: надежное крепление, передачу и уравновешивание нагрузок от силовых элементов крыла, оперения, шасси, силовой установки на силовых элементах фюзеляжа; восприятие массовых сил от целевой нагрузки, оборудования и от конструкции фюзеляжа, а также от аэродинамической нагрузки, действующей на фюзеляж, и нагрузки от избыточного давления в гермокабине.

Должно быть обеспечено удобство подходов к различным агрегатам, размещенным в фюзеляже, для их осмотра и ремонта; удобство входа и выхода экипажа и пассажиров, выброса десантников и вооружения, удобство погрузки, швартовки и выгрузки предназначенных для перевозки грузов. Пассажирам и экипажу должны быть обеспечены необходимые жизненные условия и определенный уровень комфорта при полете на большой высоте и возможность быстрого и безопасного аварийного покидания самолета, экипажу - хороший обзор.

Фюзеляж должен отвечать следующим основным требованиям:

иметь минимальное лобовое сопротивление, включая сопротивление интерференции в сочленениях фюзеляжа с другими агрегатами самолета;

обеспечивать рациональную компоновку оборудования и грузов, а также полное использование внутренних объемов особенно в районе центра масс самолета,

обеспечивать удобство погрузки-выгрузки и крепления грузов, входа и выхода экипажа, пассажиров, включая аварийное покидание самолета;

иметь хороший доступ к агрегатам и проводкам оборудования с целью их осмотра и ремонта;

иметь рациональную силовую схему, обеспечивающую уравновешивание всех нагрузок при минимальной массе конструкции;

обеспечивать необходимые жизненные условия экипажу и пассажирам на больших высотах полета.

Выполнение этих требований обеспечивается соответствующим выбором внешних форм фюзеляжа, высокой плотностью компоновки грузов и оборудования, рациональной компоновкой кабин экипажа, грузовых и пассажирских кабин, удобным расположением входных, погрузочных дверей и люков, оптимизацией силовой схемы фюзеляжа, тепло - звукоизоляцией кабин и т.п.

1. Теоретические основы конструкции и прочности ЛА

.1 Описание и назначение технических характеристик фюзеляжа самолёта

Фюзеляж (фр. fuselage, от fuseau - веретено) - корпус летательного аппарата. Связывает между собой крылья, оперение и (иногда) шасси. Фюзеляж самолёта предназначен для размещения экипажа, оборудования и целевой нагрузки. В фюзеляже может размещаться топливо, шасси, двигатели.

Конструкция самолёта типа летающее крыло, в утолщённой части которого размещается всё, что обычно размещают в фюзеляже, рассматривается отдельно.

Рисунок 1.1 - Передняя часть утилизированного Avro Ashton

поперечный сечение фюзеляж самолет

Являясь строительной основой конструкции самолёта, он объединяет в силовом отношении в единое целое все его части. Основным требованием к фюзеляжу является выполнение им своего функционального назначения в соответствии с назначением самолёта и условиями его использования при наименьшей массе конструкции фюзеляжа.

Выполнение этого требования достигается:

·        выбором таких внешних форм и значений параметров фюзеляжа, при которых получаются минимальное его лобовое сопротивление и наибольшие полезные объёмы при определившихся габаритах;

·        использованием несущих фюзеляжей, создающих значительную (до 40 %) подъёмную силу в интегральных схемах самолёта (например, Ту-160). Это позволяет уменьшить площадь крыла и снизить его массу;

·        рациональным использованием полезных объёмов за счёт повышения плотности компоновки, а также за счёт более компактного размещения грузов вблизи ЦМ. Последнее способствует уменьшению массовых моментов инерции и улучшению характеристик маневренности, а сужение диапазона изменения центровок при различных вариантах загрузки, выгорании топлива, расходе боеприпасов обеспечивает большую стабильность характеристик устойчивости и управляемости самолёта;

·        согласованием силовой схемы фюзеляжа с силовыми схемами присоединённых к нему агрегатов. При этом необходимо обеспечить: надёжное крепление, передачу и уравновешивание нагрузок от силовых элементов крыла, оперения, шасси, силовой установки на силовых элементах фюзеляжа; восприятие массовых сил от целевой нагрузки, оборудования и от конструкции фюзеляжа, а также от аэродинамической нагрузки, действующей на фюзеляж, и нагрузки от избыточного давления в гермокабине.

·        Должно быть обеспечено удобство подходов к различным агрегатам, размещён­ным в фюзеляже, для их осмотра и ремонта; удобство входа и выхода экипажа и пассажиров, выброса десантников и вооружения, удобство погрузки, швартовки и выгрузки предназначенных для перевозки грузов. Пассажирам и экипажу должны быть обеспечены необходимые жизненные условия и определённый уровень комфорта при полёте на большой высоте, тепло- и звукоизоляция кабин, возможность быстрого и безопасного аварийного покидания самолёта, экипажу - хороший обзор.

Виды фюзеляжей ЛА:

·        Узкофюзеляжный

·        Широкофюзеляжный

·        Однопалубный

·        Двухпалубный

·        Плоскофюзеляжный

Фюзеляж ЛА состоит из каркаса, который включает в себя продольный набор стрингеров и поперечный набор шпангоутов, и обшивки (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Конструкция фюзеляжа:

- обшивка, 2 - стрингеры, 3 - шпангоуты.

Назначение и работа этих элементов подобны назначению и работе соответствующих элементов крыла. Так же, как и крыло, фюзеляж работает под действием внешних сил на изгиб и кручение. Отличие заключается лишь в том, что в ряде случаев фюзеляж может быть загружен значительными продольными силами и силами избыточного давления.

Конструкция стрингеров и обшивки фюзеляжа аналогична конструкции этих элементов в крыле. Аналогично лонжеронам крыла в фюзеляже могут быть усиленные стрингеры.

Шпангоуты фюзеляжа также разделяются на нормальные и усиленные. Первые обеспечивают форму фюзеляжа в поперечных сечениях и увеличивают критические напряжения стрингеров и обшивки. Усиленные шпангоуты предназначены для передачи сосредоточенных сил на фюзеляж в месте крепления отдельных агрегатов и грузов самолета, кроме того, они устанавливаются на границах больших вырезов в фюзеляже.

По конструкции нормальные шпангоуты выполняются обычно из листового материала в виде колец с различной формой поперечного сечения. Усиленные шпангоуты выполняют в виде рам клепаной, штампованной или смешанной конструкций (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Конструкция шпангоутов: а - нормальные, б - усиленные

По конструкции современные фюзеляжи можно разделить на стрингерные и бесстрингерные. Конструкция стрингерного фюзеляжа аналогична моноблочной конструкции крыла. Однако, из-за меньших воздушных нагрузок и больших строительных высот стрингеры здесь менее мощные, а обшивка более тонкая.

Бесстрингерная конструкция состоит только из обшивки и шпангоутов. Здесь обшивка фюзеляжа более толстая и шпангоуты установлены чаще. Такая конструкция часто применяется при изготовлении отдельных отсеков фюзеляжа (носовая часть).

К указанному виду конструкции относится фюзеляж типа "монокок". Эта схема состоит, в основном, из одной обшивки, подкрепленной незначительным количеством силовых шпангоутов в разъемах и в местах крепления основных агрегатов.

Этот тип конструкции применяется для небольших ЛА.

К схеме бесстрингерных конструкций фюзеляжа относится также фюзеляж с обшивкой слоистой конструкции.

Конструктивно-силовые схемы фюзеляжа:

Наиболее рациональной конструкцией, способной воспринимать все перечисленные выше нагрузки при минимальной собственной массе, является тонкостенная пространственная оболочка, подкрепленная изнутри силовым каркасом. Рациональность такой оболочки обеспечивается полноценным использованием её работающей обшивки как при восприятии местной аэродинамической нагрузки, внутреннего избыточного давления, так и в общей силовой работе, которая состоит в том, что обшивка воспринимает всю перерезывающую силу, весь крутящий момент и участвует в восприятии изгибающих моментов.

Рисунок 1.4 - Каркасированя оболочка

Каркасированная оболочка (рис. 1.4) наилучшим образом удовлетворяет и требованиям удобства компоновки, обеспечения технологической простоты, а также живучести и эксплуатационной технологичности. С точки зрения силовой работы такая оболочка рассматривается как тонкостенная коробчатая балка, вследствие чего силовую схему подобных фюзеляжей принято называть балочной.

Используемые ранее фюзеляжи ферменной конструкции неизбежно проигрывают балочным по массе конструкции в связи с тем, что обшивка ферменных фюзеляжей полностью исключена из общей силовой работы, воспринимая только местную воздушную нагрузку и являясь, таким образом, дополнительным конструктивным элементом, увеличивающим массу конструкции. Пространственная ферма затрудняет и компоновку грузов в фюзеляже. Всё это привело к тому, что ферменные фюзеляжи в настоящее время полностью вытеснены балочными и их применение оправдано лишь на лёгких тихоходных самолётах «малой» авиации. Поэтому в дальнейшем ферменные фюзеляжи не рассматриваются.

Балочные фюзеляжи делятся на три основных разновидности (рис. 1.5):

·        стрингерный

·        обшивочный

Продольный набор балочного фюзеляжа состоит из лонжеронов и стрингеров. Лонжерон отличается от стрингера формой и большей площадью поперечного сечения. Обшивочный фюзеляж продольного набора не имеет. Поперечный набор фюзеляжа состоит из шпангоутов, обеспечивающих сохранение при деформациях заданной формы поперечного сечения оболочки и передачу на обшивку распределённых и сосредоточенных нагрузок. В местах приложения к фюзеляжу больших сосредоточенных сил устанавливаются усиленные шпангоуты.

Рисунок 1.5 - Типы балочных фюзедяжей

В балочных фюзеляжах перерезывающая сила любого направления полностью воспринимается обшивкой, в которой возникает поток касательных усилий. Закон распределения этих усилий по контуру оболочки зависит от направления внешней нагрузки и от формы поперечного сечения фюзеляжа.

Крутящий момент также полностью воспринимается обшивкой. Поток касательных усилий в этом случае равномерно распределён по периметру оболочки, имеющей, как правило, однозамкнутый контур поперечного сечения. Восприятие изгибающих моментов фюзеляжа определяется типом балочного фюзеляжа. В местах вырезов в оболочке устанавливаются силовые окантовки, обеспечивающие передачу всех усилий в зоне выреза.