3. Конструкция продольных силовых элементов стабилизатора

На данном этапе проектирования предстоит уточнить форму лонжеронов и панелей стабилизатора, главным образом, форму их поперечного сечения. Форма поперечного сечения, в основном, определяется характером нагружения элемента.

Для лонжеронов ЦПГО основным видом нагружения является поперечный изгиб. Для восприятия чистого изгиба наиболее выгодной формой поперечного сечения является двухпоясная балка. Материал такой балки наиболее разнесен от нейтральной оси сечения (на нейтральной оси, в идеале, он отсутствует), что и обусловливает целесообразность ее применения. С другой стороны, известно, что для восприятия поперечной силы (неотъемлемой составляющей нагружения при ПОПЕРЕЧНОМ изгибе), двухпоясную балку целесообразно снабжать стенкой, установленной параллельно силовой плоскости. Помимо этой функции, стенка так же предотвращает пояса балки от их сближения при изгибе и повышает критическое напряжение сжатого пояса. Обобщая вышесказанное, можно наметить основные формы сечений (см. рисунок 11), применение которых целесообразно для лонжеронов.

Рисунок 11 – Наиболее рациональные формы поперечного сечения лонжеронов

При этом в авиационных конструкциях наиболее часто реализуют именно первые две формы лонжеронов (швеллер и двутавр), что связано с их большей технологичностью по сравнению с лонжеронами коробчатой формы. Поэтому для конструкции заданного стабилизатора назначаются лонжероны следующих форм:

1. Передний лонжерон – двутавровой формы (возможно, не на всей длине). Этот лонжерон обладает большей строительной высотой, поэтому будет воспринимать большую долю нагрузки⁴. Если его выполнить в форме швеллера, то лонжерон будет иметь широкие пояса, которые из-за большого вылета сложно подкреплять. Если вместо наращивания ширины пояса нарастить его толщину, материал пояса окажется расположенным ближе к нейтральной оси сечения. С уменьшением нагрузки на стабилизатор вблизи его законцовки, возможно, форму лонжерона удастся изменить до формы швеллера.

2. Задний лонжерон – в форме швеллера. Это связано с меньшей строительной высотой лонжерона (как следствие – с меньшей долей воспринимаемой нагрузки) и с меньшей потребной площадью пояса.

Примерная конструкция переднего лонжерона показана на рисунке 12. Для предупреждения потери устойчивости стенкой лонжерона, его конструкция предусматривает вертикальные подкрепляющие стойки, выполненные заодно с другими конструктивными элементами. Одновременно стойки будут выполнять функцию фитингов для крепления нервюр к лонжерону. Стенка лонжерона условно разделяется на лапку пояса и, собственно, стенку. В таком случае условно можно разделить назначение этих элементов – лапка повышает критическое напряжение пояса лонжерона и в расчетах относится к поясу, а стенка воспринимает поперечную силу. При этом стенка может иметь меньшую толщину, нежели лапка⁵ (см. рисунок 12, сечение А-А).

Рисунок 12 – К пояснению конструкции переднего лонжерона

Поскольку лонжерон имеет достаточно большую длину (порядка 5 м), его целесообразнее сделать не единой деталью, а сборным узлом. Схема стыковки отдельных частей лонжерона наглядно показана на рисунке 13. При этом в месте стыка комлевой и концевой частей лонжерона, пояса имеют уширение (в целях обеспечения равнопрочности). Стыковка производится по всем конструктивным элементам лонжерона (по стенке и поясам) для обеспечения передачи потока нагрузки с элемента одной части лонжерона на другую (со стенки – на стенку, с пояса – на пояс). Для обеспечения соединения предполагается установка в зоне стыка специальной накладки, имеющей форму швеллера в поперечном сечении⁶ (см. рисунок 12). Принимается решение, что лонжерон должен собираться самостоятельно, перед тем, как будет производиться общая сборка. Поэтому в его конструкции для стыковки поясов должны применяться соединения с потайными головками (для возможности установки, в последующем, обшивки). Предполагается, что в конструкции для стыковки частей лонжерона будут использованы болтовые соединения.

Концевая часть л-на

Корневая часть л-на

Накладка

Отверстия для постановки болтов

Рисунок 13 – Конструкция стыка частей лонжерона

Вышесказанное в значительной мере относится и к заднему лонжерону. Однако из-за того, что этот лонжерон имеет в поперечном сечении форму швеллера (см. стр. 17), стойки, расположенные в зоне хвостика профиля, и предназначенные, главным образом, для крепления нервюр, отсутствуют. Имеются лишь стойки, расположенные со стороны межлонжеронной коробки. Общая форма лонжерона показана на рисунке 14. Стыковка отдельных частей заднего лонжерона выполняется аналогично переднему с той разницей, что из-за формы поперечного сечения, накладка устанавливается лишь с одной, внутренней стороны.

Пояс

Стойка

Стенка

Рисунок 14 – Часть конструкции заднего лонжерона

В связи с тем, что контур профиля стабилизатора представляет собой сложную кривую, наружные поверхности поясов лонжерона должны иметь уклон и кривизну в поперечном сечении (рисунок 15). При этом возможно осуществить несколько вариантов:

1. внешние и внутренние контуры поперечного сечения поясов располагаются параллельно друг другу (рисунок 15, а);

2. внутренние контуры поперечного сечения поясов располагаются нормально к оси лонжерона (рисунок 15, б).

а)

б)

Рисунок 15 – Варианты геометрии поясов лонжеронов

При этом первый вариант наиболее предпочтителен с точки зрения технологии сборки, поскольку для постановки болтов желательно иметь параллельные поверхности. Вариант 2 является наиболее предпочтительным с точки зрения облегчения технологии изготовления лонжерона, поскольку в этом случае упрощается обработка его внутренних поверхностей.

Окончательно принимается схема, показанная на рисунке 15, б. Оси отверстий под болты в этом случае будут располагаться не нормально к поверхности обшивки, а вдоль осей лонжеронов. При этом выступающие на обвод части головок болтов будут удаляться.

Предполагается, что в конструкции будут использованы сборные панели, состоящие из обшивки и подкрепляющего набора – стрингеров. Для панелей основным видом нагружения является растяжение – сжатие. При этом для стрингеров, установленных в растянутой зоне конструкции, форма не имеет решающего значения. Однако для цельноповоротных стабилизаторов маневренных самолетов не зависимо от расположения панели рекомендуется все рассчитывать на сжатие. Для стрингеров, работающих на сжатие (совместно с обшивкой), из-за возможной потери устойчивости, необходимо подбирать рациональную форму. Высокое критическое напряжение элемента обусловливает радиус инерции, зависящий от соотношения момента инерции и площади. Высокие значения радиуса инерции имеют уголковые, П – и Z – образные профили (рисунок 16).

а)

б)

в)

а – швеллер отбортованный; б – угольник; в – зет нормальный.

Рисунок 16 – Наиболее рациональные стандартизованные формы поперечного сечения стрингеров

Профили, сечения которых показаны на рисунке 16, а, применяются, в основном, в конструкции крыльев тяжелых самолетов, поскольку имеют довольно большие размеры в поперечном сечении. Z – образные профили могут быть применены в конструкции наряду с уголковыми, однако требуют широких стрингерных вырезов в нервюре, что недопустимо при малой высоте профиля. Таким образом, для конструкции назначаются стрингеры уголкового сечения. Как видно из рисунка 16, возможно применение стрингеров простого уголкового сечения и бульбообразного. В конструкцию принимается бульбообразный уголок по ГОСТ 13617 – 97, поскольку такая форма сечения обеспечивает более высокие критические напряжения при местной форме потери устойчивости.

Предполагается, что стрингеры могут перестыковываться по размаху, и поэтому размеры их сечений могут изменяться. Стыковка в таком случае будет выполнена через специальную нервюру. Схема стыковки стрингера показана на рисунке 17.

Рисунок 17 – Схема перестыковки стрингеров