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

Оптимальный диаметр фюзеляжа следует выбирать, исходя из разумного компромисса между аэродинамическими и весовыми характеристиками фюзеляжа и самолета в целом.

В практике самолетостроения для различных классов самолётов имеем следующие размеры миделевого сечения фюзеляжей:

а) легкие самолеты без герметической кабины:

 = 1,0-1,2 м2 - одноместный самолет;  =1,5-1,7 м2 - летчик и пассажир рядом;

б) многоцелевые истребители с ТРД в фюзеляже
 =1,3-2,5 м2 - самолет с одним ТРД;  = 3,0-5,0 м2 - самолет с двумя ТРД;

в) средние бомбардировщики:  = 3-4 м2;  = 2,0-2,3 м;

г) тяжелые бомбардировщики: = 6-12 м2;  = 2,8-3,9 м;

д) военно-транспортные самолеты

       = 6,5-7,5 м2;

            =2,9-3,1 м - легкие самолеты;

 =10-15 м2;  = 3,6-4,4 м - средние самолеты: - ширина грузовой кабины 3,4-3,5 м; высота грузовой кабины 3,2-3,4 м;

 =28-50м2;  = 6-7 м - тяжелые самолеты:

ширина грузовой кабины 4,5-5,9

высота грузовой кабины 3,7-4,5 м.

Форма и обводы фюзеляжа. Форма носовой и хвостовой части, форма поперечных сечений фюзеляжа, а также общий вид фюзеляжа выбираются в период эскизного проектирования самолета.

Форма фюзеляжа современных самолетов по тем или иным причинам часто отличается от формы, диктуемой аэродинамическими соображениями (цилиндр с обтекаемой симметричной носовой и хвостовой частью).

Форма носовой и хвостовой части фюзеляжа подвержена сильному влиянию условий компоновки и эксплуатации самолета. Так как в носовой части фюзеляжа всегда размещается кабина пилотов, а по требованиям компоновки необходимо обеспечить хороший обзор из кабины, то носовую часть фюзеляжа приходится выполнять несимметричной (вид сбоку) (рис. 2.5). Если на дозвуковых скоростях такая форма существенно не влияет на аэродинамические характеристики самолета, то при М>1 несимметричный нос фюзеляжа (а точнее, фонарь кабины пилотов) создает заметное увеличение лобового сопротивления.

На тяжелых самолетах для уменьшения сопротивления на сверхзвуковых скоростях и улучшения обзора при взлете и посадке часто применяется отклоняемая носовая часть фюзеляжа.

На легких сверхзвуковых самолетах применяют неубирающийся фонарь кабины. По требованиям компоновки для такого типа самолетов (многоцелевые истребители) хороший обзор для летчика необходимо» обеспечить не только на взлете и посадке, но и в течение всего полета. Чтобы снизить сопротивление, фонарь кабины выполняют с удлинением не менее 5-6 (отношение длины фонаря к ширине или высоте). Угол: наклона лобового стекла  должен быть не менее 60-65°.

Угол  у фонарей дозвуковых самолетов (М = 0,7-0,9) делают не менее 50-55° для улучшения аэродинамики самолета.

Рисунок 2.5 - 1-военно-транспортный самолёт; 2-пассажирский самолёт.

На обводы носовой части фюзеляжа легких самолетов существенное влияние оказывает компоновка воздухозаборников. Даже если на самолете установлены боковые воздухозаборники, их форма будет определять форму носовой части фюзеляжа. Например, если воздухозаборник имеет плоскую форму, то и фюзеляж вблизи воздухозаборника должен быть плоским (чтобы обеспечить равномерный поток на входе в воздухозаборник).

Носовая часть фюзеляжа тяжелых военно-транспортных самолетов для удобства процесса погрузки - выгрузки иногда выполняется откидывающейся. Это тоже влияет на обводы носовой части фюзеляжа.

Не меньшее внимание надо уделять и обводам хвостовой части фюзеляжа. Решающая роль здесь принадлежит требованиям эксплуатации, особенно у дозвуковых военно-транспортных и пассажирских самолетов. Хвостовая часть фюзеляжа пассажирских самолетов несколько приподнята для обеспечения нужных углов атаки при взлете и посадке. У военно-транспортных самолетов (ВТС) хвостовая часть еще более поднята вверх и часто имеет плоскую нижнюю часть для обеспечения погрузки - выгрузки и воздушного десантирования через задний люк. Такая форма хвостовой части фюзеляжа ВТС неблагоприятно сказывается на аэродинамических характеристиках фюзеляжа. Для уменьшения  в районе заднего люка ВТС иногда применяются специальные ребра (рис. 2.5), с помощью которых удается на 10-15% уменьшить сопротивление фюзеляжа и примерно на единицу увеличить аэродинамическое качество в крейсерском полете.

По форме поперечное сечение фюзеляжа должно приближаться к кругу. Круг является лучшей формой поперечного сечения герметизированной части фюзеляжа, обеспечивающей наименьший вес конструкции. Вследствие этого многие современные гражданские и военные самолеты имеют круглое (либо близкое к кругу) сечение фюзеляжа.

Однако форма сечения фюзеляжа часто диктуется компоновочными соображениями.

Например, желание получить аэродинамически выгодную конфигурацию крыла с фюзеляжем и т.д. Еще сильнее сказываются соображения компоновки на форме поперечного сечения фюзеляжа транспортных и легких самолетов.

Фюзеляж легких самолетов в основном является не герметичным (герметизируется только кабина пилота). Так как при равной площади форма сечения не оказывает заметного влияния на аэродинамическое сопротивление фюзеляжа (при условии, конечно, что данная форма сечения не увеличивает сопротивление интерференции с крылом), то форма негерметизированной части фюзеляжа может выбираться главным образом из компоновочных и эксплуатационных соображений.

Так, например, истребитель с одним двигателем в фюзеляже имеет, как правило, круглую форму сечения, а с двумя - овальную. Боковые плоские воздухозаборники создают вместе с фюзеляжем сечение, близкое к прямоугольной форме и т. д. Если форма поперечного сечения фюзеляжа не оказывает заметного влияния на  самолета, то распределение площадей поперечных сечений фюзеляжа по его длине оказывает весьма сильное влияние на величину  , особенно в зоне трансзвуковых скоростей полета.

Расчет фюзеляжа на прочность:

Расчет фюзеляжа на прочность заключается в определении нормальных и касательных напряжений в элементах его конструкции. Рассмотрим приближенные методы определения этих напряжений.

У фюзеляжа стрингерного типа изгибающий момент воспринимается стрингерами и обшивкой. При приближенном расчете сечение фюзеляжа условно заменяется двухпоясной балкой (рис. 2.7). В этом случае силы, действующие на обшивку и стрингеры, приводятся к двум равнодействующим силам Р, величина которых может быть найдена по формуле:

.

Величина Нср обычно принимается равной .

Рисунок 2.7 - Схематизация фюзеляжа: 1 - верхний свод, 2 - нижний свод

Для расчета нормальных напряжений берется площадь сечения элементов, находящихся в зоне наибольшего растяжения и сжатия, т. е. в верхнем и нижнем сводах.

Эта площадь определяется по формуле:

.

Здесь n и f - число стрингеров в своде и площадь сечения одного стрингера соответственно;обш и j - площадь обшивки в своде и редукционный коэффициент соответственно. В растянутой зоне j = 1, в сжатой j £ 1.

Таким образом, нормальные напряжения в своде находятся по формуле

.

Очевидно, что для бесстрингерного фюзеляжа

.

Касательные напряжения t в обшивке фюзеляжа возникают от действия Q и Мкр (рис. 2.8).

Сила Q воспринимается боковыми стенками фюзеляжа с высотой Нср=2/3Н. Считаем условно, что верхний и нижний своды касательные напряжения не воспринимают.

Следовательно,

,

где dобш - толщина обшивки фюзеляжа.

Касательные напряжения кручения фюзеляжа могут быть найдены по формуле:

Здесь F - площадь сечения, ограниченная контуром фюзеляжа.

На практике фюзеляж рассчитывают также на общую устойчивость, температурные напряжения от нагрева.

При расчете герметических отсеков для проверки прочности каркаса кабины в первую очередь определяются напряжения от разности давлений. При проверке прочности на первый вариант нагрузок эти напряжения рассматриваются сами по себе, при расчете на второй вариант нагрузок - в сумме с наряжениями от нагрузок, действующих на фюзеляж в полетных случаях нагружения (рис. 2.9). При определении напряжений от разности давлений обшивка отсека рассматривается как безмоментная оболочка - тонкостенный сосуд со стенками, нежесткими на изгиб.

Рисунок 2.9 - К расчету герметичных отсеков: а - напряжения от избыточного давления в безмоментной оболочке; б - схема соединения герметичной кабины с другими частями фюзеляжа; в - схема передачи погонных нагрузок (q) от днища на подкрепленную обшивку (q2) и шпангоут (q1); 1 - обшивка; 2 - днище; 3 - шпангоут.

Для безмоментной оболочки, имеющей форму тела вращения (рис. 9, а), нормальные напряжения имеют зависимость

,

где r2, r1 - соответственно радиусы кривизны в меридиональном и кольцевом сечениях;, s1 - соответствующие нормальные напряжения;р - расчетное избыточное давление, определяемое по нормам прочности;- толщина обшивки.

В частном случае для сферического участка кабины (например, сферического днища) r1=r2=r и s1=s2=s, поэтому

.

Для участка конструкции, представляющего собой круговой цилиндр, r2=¥, поэтому

(окружное).

Из условия равновесия отсеченной части кабины

(продольное).

2.3 Расчёт НДС

Излагается методика выбора оптимальной формы поперечного сечения отсека фюзеляжа, выполненного из композиционного материала, обеспечивающая минимум массы оболочки. Определяется полезный объем отсека в зависимости от коммерческой нагрузки, рассматриваются варианты поперечных сечений и, в зависимости от их восприятия внешних нагрузок, анализируется НДС конструкции из композиционных материалов, для нахождения максимальной зоны нагружения. Определяется необходимая толщина оболочки, используя условия равно прочности.

Весовая эффективность конструкции фюзеляжа находится в значительной зависимости от степени использования объемов, что влияет и на размеры фюзеляжа, следовательно, и на вес пассажирского самолета.

Фюзеляж круглой формы не может удовлетворить требований увеличения грузовой и пассажирской вместимости современных самолетов, так как неэффективно используется площадь с боков и снизу, что ведет к увеличению миделя и поверхности фюзеляжа.

Поэтому в данной работе рассматриваются конструкции фюзеляжа других форм поперечного сечения одинакового уровня комфорта (полезного объема), которые могут оказаться легче за счет большей плотности компоновки и меньших размеров.

При отличии сечения от формы правильного круга толщина оболочки фюзеляжа будет увеличиваться, так как панели этих форм подвергаются изгибу от избыточного давления.