Монолитные панели

Рост скоростей полета современных самолет6в повышает требования к их аэродинамическим схемам и конструкциям. Снижаются относительные толщины крыла и оперения. Предъ­являются повышенные требования к качеству внешней поверх­ности всех агрегатов самолета, а также в связи с увеличением скоростного напора — к жесткости конструкции из условий аэроупругости.

В зонах сжатых панелей с высокими уровнями напряженностей (отношение распределенной сжимающей нагрузки к длине сжатой стойки L, где L, например расстояние между нервюрами крыла), когда панель может потерять как общую, так и местную устойчивость, необходимы и утолщение обшивки, и установка стрингеров с более частым шагом. Однако утолщение обшивки для увеличения местных критических напряжений нецелесооб­разно из-за большого приращения веса, а уменьшение шага между стрингерами в сборных конструкциях панелей может быть сделано до определенных технологических пределов. К тому же из-за ослабления обшивки отверстиями под заклепки значительно снижается сопротивление усталости конструкции.

В этом случае наилучшим проектировочным решением, отвеча­ющим поставленным требованиям, будет применение монолитных панелей. У таких панелей обшивка изготавливается совместно с продольным, а иногда и поперечным силовыми наборами.

При применении монолитных панелей можно получить следу­ющие преимущества:

• меньшее количество деталей при сборке;

• снижение трудоемкости за счет применения производственных процессов штамповки, прессования, литья, упрощения панельной сборки при базировке на обшивку;

• высокую герметичность за счет отсутствия отверстий, умень­шение дополнительного веса на герметизацию;

• улучшение усталостных свойств конструкции из-за отсутствия отверстий для клепки или концентрации напряжений в местах точечной сварки;

• улучшение качества внешней поверхности по сравнению со сборными панелями за счет отсутствия «утяжек» обшивки, ко­роблений при сборке.

Однако, как это обычно бывает у любых конструкций, при­менение монолитных панелей не свободно и от недостатков. К ним относятся:

• большие стоимость и длительность изготовления заготови­тельной оснастки (штампов, матриц, форм для литья), что делает целесообразным применение таких конструкций только при боль­ших сериях деталей;

• сложность выполнения конструктивных изменений в процессе доводки и модификации конструкции.

Для изготовления монолитных панелей применяются следу­ющие технологические процессы:

а) фрезерование (механическое и химическое);

б) прессование;

в) прокатка;

г) горячая штамповка;

д) литье.

Многослойные конструкции

По условиям нагружения в ряде мест конструкции самолета требуется применение панелей, имеющих обшивку менее 1 мм, а зачастую и наличие не одной, а двух таких обшивок,

Рис. 7.23. Многослойная панель с пересекающимся гофровым заполнителем

Рис. 7.24. Многослойная панель с заполнителем из параллельно располо­женных гофров

ограничивающих панель с обеих сторон (концевые панели крыла, панели оперения, рулей и элеронов, панели канала воздухо­заборника, перегородки, створки и другие). В этих случаях применение стрингерных панелей, с одной стороны, увеличивает массу конструкции, поскольку частота установки стрингеров для увеличения местных критических напряжений в обшивке ограничена и, поэтому не используются полностью прочностные возможности материала, а с другой стороны, необходимость при­соединения второй обшивки значительно усложняет процесс изготовления панелей. Иногда в таких случаях применяются панели, состоящие из двух обшивок и расположенного между ними заполнителя в виде гофров, называемые «гофровыми пане­лями».

Гофровые панели чаще всего делают из свариваемых материа­лов, что дает возможность присоединить гофры к обшивке точеч­ной или роликовой электросваркой.

Одним из положительных свойств гофровых панелей является возможность использовать их для теплонагруженных конструк­ций, так как гофр дает обшивке возможность при нагревании свободно деформироваться в поперечном направлении, уменьшая возможность появления температурных напряжений.

Недостатком гофровых панелей является наличие в них проч­ности и жесткости только в одном направлении — в направлении гофра. При уменьшении толщины обшивки, например, из мате­риала ОТ4, до 0,4 мм для обеспечения местной устойчивости при сжатии с высоким уровнем критических напряжений до б₀₂ = = 450 ... 500 МПа, требуется размер между точками крепления гофров порядка 10 ... 11 мм. Это технологически сложно, к тому же выполнить такие конструкции с гладкой обшивкой, без ребре-ния, практически невозможно.

В последнее время рассматривается вопрос использования гофровых панелей не в силовых конструкциях, а в конструкциях теплозащитных панелей и в тепловых экранах. В этом случае гофровая панель изготавливается в виде нескольких слоев с после­довательно перпендикулярным (рис. 7.23) или параллельным (рис. 7.24) расположением гофрового заполнителя. Толщина об-

1,4 — обшивки или несущие слои панелей; 2,7 — сото&ый заполнитель с квадратной или шестигранной ячейкой; 5 — галтель клея, припоя или место диффузионного сращивания фольги заполнителя с обшивкой; 3, б — силовые или окантовочкые элементы

шивок и гофрового заполнителя таких панелей может составлять 0,1 ... 0,2 мм.

Для наилучшего использования тонкого материала в обшивках силовых конструкций, нагруженных сжатием или сдвигом в пло­скости панели, необходимо наличие заполнителя, подкрепля­ющего обшивку по всей поверхности во всех направлениях с ма­лым (менее 10 ... 12 мм) шагом подкрепления.

Сотовые панели. В 1950-х годах был найден способ изготав­ливать легкий и жесткий заполнитель из тонкой фольги, соеди­ненной в виде сотовых ячеек, и надежно прикреплять его по торцам сотов к тонколистовой обшивке. Появились конструкции, названные «сотовыми панелями», хотя вид заполнителя не всегда соответствует шестигранному рисунку сотов (рис. 7.25, б).

В настоящее время существуют и успешно применяются не­сколько типов сотовых панелей. Чаще всего используются:

• неметаллические и дюралевые клееные панели;

• титановые и стальные панели.

• титановые диффузионно-сварные панели;

• титановые и стальные паяные панели.

Трехслойная сотовая конструкция обладает рядом достоинств, важнейшими из которых являются высокие характеристики устой­чивости несущих слоев (обшивок) из-за эффективного их подкреп­ления заполнителем и высокая жесткость на изгиб панели, бла­годаря разнесенным от нейтральной оси за счет заполнителя обшивкам. Кроме того, сотовые панели имеют ряд других преиму­ществ:

Рис. 7.26. Изготовление сотового заполнителя растяжкой па­кета фольги

высокое качество формы и поверхности;

хорошую эксплуатационную надежность в усло­виях виброакустического нагружения вследствие отсутствия концентраторов напряжений и высо­ких собственных частот элементов панели;

высокую производственную технологичность, определяемую минимумом деталей, подаваемых на сборку, и возможностью полной автоматизации процесса изготовления;

хорошие тепло- и звукоизолирующие свой­ства.

Как и все другие конструкции, сотовые панели не свободны

от недостатков. К ним относятся:

необходимость применения сложных станков-автоматов и спе­циального оборудования для склейки, пайки или сварки запол­нителя с обшивкой;

обязательное согласование между собой, а следовательно, и ограничение материалов, применяемых для изготовления запол­нителей и обшивок, а также используемых для соединения обши­вок с заполнителем;

необходимость защиты внутренней полости от попадания или накопления влаги и ряд других.

В сотовых конструкциях существует тесная связь между применяемыми материалами и технологией изготовления. Каждому конкретному технологическому типу сотовой панели (клееной, паяной, или сварной) соответствуют определенные группы мате­риалов для несущих обшивок, заполнителя и соединения (клей, припой), обеспечивающие возможность надежного изготовления панели в целом.

В качестве заполнителей для клееных панелей из неметалли­ческих композиционных материалов применяются сотовые запол­нители из стеклоткани, бумаги, а также заполнители из алюминиевых сплавов и сплавов титана. Заполнитель для диффузионно-сварных и паяных титановых панелей изготавли­вается из фольги ВТ6 или ВТ15, заполнитель для стальных пая­ных и сварных панелей из того же материала, что и обшивка.

Рис. 7.27, Схема склейки сотовой панели:

1 — шланг от вакуумного насоса;

2 — сотовая панель;

3 — вакуумный мешок; 4 -- прижим;

5— технологическая плита (основание);

6 — силовые эле­менты панели

Схема клееных, паяных и диффузионно-сварных панелей показана на рис. 7.25, а, б.

Процесс изготовления таких панелей разделяется на два этапа: 1) изготовление сотового заполнителя (в виде так называемых «сотовых блоков»); 2) присоединение обшивок к сотовому блоку.

При изготовлении сотовому блоку придают форму поверхно­сти, соответствующую форме обводов панели с учетом толщины присоединяемых обшивок.

Для сотовых конструкций, окончательная форма которых может быть получена из плоской панели-полуфабриката путем последующей деформации (см. разд. 7.2.5), исходная поверхность сотового блока может иметь плоскую форму.

Сотовые заполнители клееных панелей из алюминиевых сплавов и полимерных материалов изготавливают чаще всего методом рас­тяжки пакета плоских полос фольги, склееных в местах, соответ­ствующих расположению двойных граней (рис. 7.26).

Сотовые заполнители из сплавов титана и сталей получают методом формования отдельных лент фольги с последующей точечной сваркой в местах соприкосновения граней на автоматизи­рованных установках (см. рис. 7.25, б). Для увеличения жест­кости грани сотовых ячеек могут иметь один или несколько рифтов (рис. 7.25, в).