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

Балочно-лонжеронный фюзеляж (рис. 1.6):

Изгибающий момент воспринимается осевыми усилиями в лонжеронах, число которых обычно невелико. Обшивка и стрингеры в работе оболочки на изгиб практически не участвуют. Стрингеры в основном служат для местного подкрепления обшивки. На рисунке показаны эпюры перерезывающих сил, изгибающих моментов и крутящего момента от нагрузок горизонтального и вертикального оперения.

Рисунок 1.6 - Балочно-лонжеронный фюзеляж

Балочно-стрингерный фюзеляж (рис. 1.7):

Большое количество часто расположенных стрингеров совместно с обшивкой воспринимают весь изгибающий момент, работая на осевые нагрузки растяжения-сжатия. Закон распределения нормальных напряжений по периметру оболочки определяется в соответствии с гипотезой плоских сечений при изгибе. Доля изгибающего момента, воспринимаемая обшивкой, определяется ее критическими напряжениями местной потери устойчивости. По сравнению с лонжеронными фюзеляжами, шпангоуты в стрингерных фюзеляжах устанавливаются с меньшим шагом с целью повышения критических напряжений потери устойчивости стрингеров и обшивки.

Балочно-обшивочный (бесстрингерный фюзеляж):

Обеспечивает восприятие изгибающего момента только обшивкой, которая в этом случае обычно имеет слоистую конструкцию с заполнителем, что позволяет повысить критические напряжения обшивки. Бесстрингерные фюзеляжи не получили широкого применения из-за трудностей усиления оболочки в зоне вырезов, которых у современных самолетов требуется достаточно большое количество.

Рисунок 1.7 - Балочно-стрингерный фюзеляж

Конструкция элементов фюзеляжа (рис. 1.8):

Основные элементы фюзеляжа: лонжероны, стрингеры, шпангоуты, обшивка, стыковые узлы.

Рисунок 1.8 - Элементы фюзеляжа

Лонжероны и стрингеры (рис. 1.9):

Продольные элементы каркаса, проходящие, как правило, по всей длине фюзеляжа. Совместно с обшивкой они воспринимают нормальные усилия при изгибе фюзеляжа. Простые стрингеры и лонжероны обычно изготавливаются из прессованных или гнутых профилей различного сечения. Стрингеры распределяют нагрузку равномерно по обшивке, лонжероны в свою очередь обеспечивают общую жесткость конструкции.

Рисунок 1.9 - Лонжероны и стрингеры

При больших нагрузках могут использоваться составные лонжероны, состоящие из нескольких соединённых между собой профилей (рис. 1.10).

Рисунок 1.10 - Лонжероны

Для окантовки больших вырезов в фюзеляже часто используются лонжероны коробчатого сечения - бимсы, которые состоят из прессованных профилей, связанных между собой стенками и обшивкой

Шпангоуты (рис. 1.11):

Поперечные элементы набора. Делятся на нормальные и усиленные. Нормальные обеспечивают сохранение формы поперечного сечения фюзеляжа. Усиленные шпангоуты устанавливаются в местах передачи на фюзеляж больших сосредоточенных нагрузок. На них располагаются стыковые узлы агрегатов, узлы крепления грузов, двигателей, крупного оборудования, перегородки гермоотсеков и т. п. Силовые шпангоуты могут устанавливаться по границам больших вырезов в фюзеляже. Нормальные шпангоуты обычно имеют рамную конструкцию и изготавливаются штамповкой или фрезеровкой.

Усиленные шпангоуты выполняются в виде замкнутой рамы обычно двутаврового или швеллерного сечения. Рама шпангоута распределяет внешнюю нагрузку по периметру обшивки, поток касательных усилий в которой является опорной реакцией для рамы. Сама рама работает на изгиб, который в основном определяет её сечение. Кроме того, в любом сечении рамы действуют перерезывающая и нормальная силы.

Рисунок 1.11 - Шпангоуты

Конструктивно такая рама изготавливается сборной или монолитной. В местах установки перегородок силовой шпангоут полностью зашивается стенкой, подкреплённой вертикальными и горизонтальными профилями, или сферической оболочкой с радиально расположенными подкрепляющими элементами.

Обшивка:

Изготавливается из металлических листов, которые формуются по профилю поверхности фюзеляжа, зачастую с приклёпкой стрингеров, и затем крепятся к каркасу (шпангоутам). Стыки листов располагаются на продольных и поперечных элементах каркаса. Возможно, особенно для обшивочных фюзеляжей, применение монолитных оребрённых панелей и слоистой обшивки с лёгким, обычно сотовым, заполнителем. В последнее время получает распространение обшивка из композиционных материалов.

Соединение элементов каркаса и обшивки (рис. 1.12):

Возможно три способа соединения обшивки с каркасом:

·        обшивка крепится только к стрингерам,

·        обшивка крепится и к стрингерам, и к шпангоутам,

·        обшивка крепится только к шпангоутам.

В первом случае образуются только продольные заклёпочные швы, а поперечные швы отсутствуют, что улучшает аэродинамику фюзеляжа. Незакреплённая на шпангоутах обшивка теряет устойчивость при меньших нагрузках, что приводит к увеличению массы конструкции. Чтобы избежать этого часто обшивку связывают со шпангоутом дополнительной накладкой - компенсатором. Третий способ крепления используется только в обшивочных (бесстрингерных) фюзеляжах.

Сотовидная обшивка крепится к шпангоутам. Она состоит из двух металлических панелей и сердцевины. Сотовая конструкция - шестиугольного вида материал, сделанный из металла. В сердцевине находится клей, что позволяет не использовать заклёпки. Такая конструкция имеет высокое сопротивление деформации и способна передавать напряжение по всей своей поверхности.

Стыковые соединения отсеков фюзеляжа (рис. 1.13):

Стыки отсеков фюзеляжа балочно-лонжеронной схемы выполняются с помощью стыковых узлов, расположенных только на лонжеронах - точечный стык. Конструктивно для этого используются узлы типа «ухо-вилка» или узлы фитинговой схемы.

Рисунок 1.12 - Соединение элементов каркаса и обшивки

Рисунок 1.13 - Стыковые соединения отсеков фюзеляжа

Балочно-стрингерные фюзеляжи стыкуются по принципу контурного стыка с расположением стыковых фитингов по всему периметру стыкового шпангоута с обязательной силовой связью обшивки и всех стрингеров стыкуемых частей фюзеляжа. Балочно-обшивочные фюзеляжи обычно соединяются фланцевым стыком, обеспечивающим силовую связь обшивок стыкуемых частей по всему контуру. Это по сути контурный стык с единым стыковым элементом - уголка, полосы и т. п.

Крепление агрегатов самолёта к фюзеляжу:

Узлы крепления агрегатов к фюзеляжу устанавливаются на усиленных шпангоутах, которые выполняют роль жесткого диска, обеспечивая распределение сосредоточенных нагрузок по всему периметру оболочки фюзеляжа. Для передачи сосредоточенных нагрузок продольного направления стыковые узлы агрегатов должны быть связаны с усиленными продольными элементами фюзеляжа. Для уменьшения массы конструкции фюзеляжа всегда желательно уменьшать число усиленных шпангоутов, размещая на одном шпангоуте узлы крепления нескольких агрегатов.

Крепление крыла и стабилизатора (рис. 1.14):

Принципиальной особенностью стыка крыла с фюзеляжем является способ уравновешивания изгибающих моментов консолей крыла в этом стыке. Наиболее рациональным считается уравновешивание изгибающих моментов левой и правой консоли крыла на центроплане, пропущенном через фюзеляж. Для лонжеронных крыльев с этой целью достаточно пропустить через фюзеляж только лонжероны, на которых и произойдёт уравновешивание изгиба.

Рисунок 1.14 - Крепление крыла и стабилизатора

Для кессонных и моноблочных крыльев через фюзеляж обязательно должны пропускаться целиком все силовые панели крыла (рис. 1.15).

В том случае, когда по компоновочным причинам пропуск через фюзеляж силовых элементов крыла невозможен, замыкание изгибающих моментов слева и справа должно выполняться на силовых шпангоутах фюзеляжа. Такое решение применимо лишь для лонжеронных крыльев, у которых число лонжеронов невелико. Кессонные и моноблочные крылья требуют большого числа силовых шпангоутов для замыкания силовых панелей, что конструктивно выполнить очень трудно. В этом случае следует отказаться от указанных силовых схем крыла и перейти на лонжеронную схему.

Рисунок 1.15 - Силовые панели

Перерезывающая сила крыла с каждой его половины должна передаваться на фюзеляж. С этой целью стенки лонжеронов и дополнительные продольные стенки крыла стыкуются с силовыми шпангоутами. На эти же силовые шпангоуты обычно опираются и бортовые нервюры крыла, которые, собирая с замкнутого контура крыла крутящий момент, передают его на эти опорные шпангоуты. Часто для передачи крутящего момента обшивка крыла и фюзеляжа соединяется по контуру стыковочным уголковым профилем.

Крепление стабилизатора к фюзеляжу принципиально ничем не отличается от схемы стыковки крыла. Ось вращения управляемого стабилизатора обычно закрепляется на одном или двух силовых шпангоутах фюзеляжа.

Крепление киля (рис. 1.16):

Крепление киля к фюзеляжу требует обязательной передачи его изгибающего момента на фюзеляж. С этой целью каждый лонжерон киля соединяется с силовым шпангоутом стеночной или рамной конструкции.

Рисунок 1.16 - Крепление киля

Если позволяют условия компоновки, то используется «мачтовая» заделка лонжерона в двух точках, разнесённых по высоте силового шпангоута. Стреловидный лонжерон киля имеет излом в точке пересечения с силовым шпангоутом, что требует обязательной постановки в этом сечении бортовой усиленной нервюры или усиленной балки на фюзеляже. От них можно избавиться, если силовой шпангоут поставить наклонно к оси фюзеляжа так, чтобы его плоскость являлась продолжением плоскости стенки лонжерона киля. Но такое решение вызывает значительные технологические трудности при изготовлении наклонного шпангоута и сборке фюзеляжа.

Крепление шасси и двигателей к фюзеляжу:

Крепление двигателей к фюзеляжу осуществляется как внутри к усиленным элементам каркаса, так и снаружи на специальных пилонах. Крепление пилонов к фюзеляжу подобно креплению стабилизатора или крыла.

Вырезы под двери, окна, фонари, люки, ниши шасси, боевой нагрузки нарушают замкнутость контура оболочки фюзеляжа и резко снижают её крутильную и изгибную жесткость и прочность. Компенсировать эти потери можно путём создания по контуру выреза достаточно жесткой рамной окантовки. При малых размерах выреза такая окантовка создается в виде монолитной конструкции, получаемой штамповкой из листа или другими способами изготовления.

Рисунок 1.17 - Вырезы в фюзеляже

Большие вырезы окантовываются по торцам силовыми шпангоутами, а в продольном направлении усиленными лонжеронами или бимсами, которые не должны заканчиваться на границах выреза, а продолжаться за силовые шпангоуты (плечо В), обеспечивая жёсткую заделку этих продольных элементов.

Крепление шасси выполняется к усиленным шпангоутам и продольным балкам в нижней части фюзеляжа. Обшивки киля и фюзеляжа обычно соединяются стыковочным уголком по контуру киля.

Гермоотсеки (рис. 1.18):

В гермокабинах при полёте на больших высотах поддерживается избыточное давление до 40-60 кПа. Наиболее рациональной формой гермоотсека, обеспечивающей его минимальную массу, является сфера или немного уступающая ей по выгодности - цилиндр со сферическими днищами. Шпангоут в стыке цилиндра со сферическим сегментом за счёт перелома обшивки испытывает достаточно большие сжимающие нагрузки и должен быть усилен. Обшивка в таких отсеках при нагружении избыточным давлением полностью избавлена от изгибных деформаций и работает только на растяжение.

Однако, по компоновочным соображениям иногда приходится отступать от этих рациональных форм, что неизбежно приводит к увеличению массы конструкции. Плоские и близкие к ним панели для обеспечения необходимой изгибной жесткости при восприятии избыточного давления должны иметь достаточно мощное подкрепление в виде продольных и поперечных рёбер (балок) или изготавливаться в виде трёхслойных конструкций.