9.2. 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 М_крут (в плоскости сечения) и изгибающий момент М_изг (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 М_изг распределяется в основном между верхней и нижней панелями балки крыла в виде пары осевых усилий P_пан = М_изг/Н.

Чтобы Р_пан было меньше, панели удаляют на максимально возможную в пределах профиля сечения рабочую высоту Н. В сечении панели сила Р_пан распределяется в виде нормальных на­пряжений σ_Mизг между поясами (полками) лонжеронов, стрингерами и обшивкой пропорциональ­но их несущей способности на растяжение и сжатие, характери­зуемой в пределах упругости зна­чениями жесткости Е_iF_i.

Рис 14. 5. Усилия в сечении крыла и соответствующие им напряжения в элементах

Действием М_изг на стенки лонжеронов можно пренебречь, так как они расположены вбли­зи нейтральной плоскости изгиба и σ в них невелики. Но при непарал­лельности поясов изгибающий момент М_изг вызывает в стенках дополнительные поперечные нагрузки, которые суммируются с Q.

2. Усилие Q распределяется в основном между стенками лонжеронов в виде касательных напряжений τ_а. Стенки обладают наиболь­шей несущей способностью в восприятии Q, так как расположены в направлении ее действия и имеют большую жесткость на сдвиг G_iE_i, чем другие элементы сечения.

3. Крутящий момент М_крут распределяется в основном в виде напряжений τ_Мкрут, действующих в элементах сечения тонкостенной замкнутой конической оболочки, образованной обшивкой и стенками лонже­ронов. Эта оболочка обладает наибольшей несущей способностью для восприятия М_крут, так как имеет замкнутый контур, заполняющий большую часть профиля сечения, т. е. ее крутильная жесткость GJ_крут значительно больше, чем у других элементов (стрингеров, поясов).

14.3. Типовые силовые схемы крыла

Из трех усилий Q, М_изг и М_крут, которые действуют в попереч­ных сечениях крыла, изгибающий момент можно назвать основным. Более 50% общей массы конструкции крыла составляют силовые элементы, обеспечивающие требуемую прочность крыла на изгиб.

В зависимости от того, между какими силовыми элементами главным образом распределяется изгибающий момент, можно выде­лить две предельные силовые схемы крыльев: лонжеронную и моно­блочную.

Силовая схема крыла называется лонжеронной, если изгибаю­щий момент в основном воспринимается поясами лонжеронов (рис. 14.6, а). Эта схема, распространенная в начале развития авиации, в настоящее время применяется на легких самолетах. Лонжеронное крыло имеет мощные пояса лонжеронов, сравнительно слабые стрингеры и тонкую обшивку.

Рис. 14.6. Усилия от М_изг в силовых элементах лонжеронной (а) и моноблочной (б) силовых схем крыла

Силовая схема крыла называется моноблочной, если изгибающий момент в основном воспринимается обшивкой и стрингерами (рис. 14.6, б). Схема применяется в скоростных монопланах.

Моноблочное крыло имеет мощный стрингерный набор, толстую обшивку и сравнительно слабые пояса лонжеронов (площади по­перечных сечений поясов того же порядка, что и площади се­чений стрингеров).

Проведем краткий сравнительный анализ приведенных силовых схем по некоторым важнейшим свойствам.

Масса конструкции. Для моноблочных крыльев материал обшив­ки можно использовать более рационально, что приводит к умень­шению массы крыла. Преимущества моноблочной схемы с точки зрения уменьшения массы крыльев возрастают с увеличением массы самолета, угла стреловидности, удлинения крыла и с уменьшением относительной толщины профиля крыла.

Жесткость. Моноблочные крылья по сравнению с лонжеронными крыльями обладают большей жесткостью на изгиб и кручение.

Надежность и живучесть. В моноблочном крыле выход из строя части силовых элементов в результате усталостных разру­шений или случайных повреждений не приводит к немедленному разрушению всей конструкции. В лонжеронном крыле выход из строя хотя бы одного из поясов лонжеронов, как правило, приводит к быстрому разрушению всей конструкции.

Таким образом, приведенные выше свойства моноблочных кры­льев обусловливают их преимущество перед лонжеронными кры­льями.

Производственная и эксплуатационная технологичность опреде­ляет преимущества лонжеронной схемы. В лонжеронных крыльях обшивка и стрингеры мало работают на изгиб, поэтому в них можно делать вырезы (люки) в обшивке для монтажа и осмотра топливной аппаратуры, ниши для уборки шасси, монтажа и осмотра проводки управления и другие, не уменьшая значительно прочности крыла.

В моноблочных крыльях вырезы на обшивке обязательно должны закрываться более тяжелыми силовыми крышками на вин­тах и болтах, способных выдержать как усилия сдвига, так и осе­вые силы. Это затрудняет размещение грузов и оборудования внутри крыла, а также осмотр оборудования и уход за ним в процессе эксплуатации.

Кроме того, лонжеронные крылья проще моноблочных в отноше­нии крепления отъемных частей к центроплану или фюзеляжу.

У современных самолетов удельная нагрузка р велика, а относительная толщина профиля с крыльев— небольшая. Это является причиной того, что чисто лонжеронные (с обшивкой, не воспринимающей М_изг) и чисто моноблочные силовые схемы (без явно выраженных поясов лон­жеронов) в настоящее время можно рассматривать как предель­ные конструктивные схемы.

Конструкция крыльев современных скоростных самолетов с обшивкой, которая подкреплена стрингерами, близка к моноблочной, но имеет еще и мощные пояса лонжеронов. Такую конструкцию называют кессонной.

Проведенный анализ лонжеронной и моноблочной силовых схем крыльев показывает, что каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому иногда одни участки конструкции крыла (например, отъемная часть) выполняются по схеме, близкой к моноблочной, а другие (например, центроплан, зона уборки шасси) — к лонжеронной.