1. Рамный шпангоут, нагруженный вертикальной сосредоточен­ной силой (рис. 10.41)

Нагрузка, действующая на шпангоут, уравновешивается по­током касательных усилий на обшивке. Для круговых шпангоутов

(10.22)

где S — статический момент шпангоута; ./ — момент инерции редуцированного сечения; а — угол текущего сечения; R — радиус фюзеляжа.

Для некруглого сечения с некоторым запасом прочности каса­тельные усилия можно подсчитать приближенно по формуле

(10.23)

где , 2A — вертикальный размер фюзеляжа.

Как видно из рис. 10.41, такое распределение потоков усилий логически и теоретически вполне обосновано, а точные расчеты дают расхождение, не превышающее 10 % от проектировочных.

Изгибающий момент имеет максимальное значение в точке 1, а в точке 2 величина момента близка к 0. Наибольший момент

приближенно можно считать равным М_изг = -r-PR, а для

Рис. 10.41. Нагружение вертикальной силой рамного шпангоута

Коэффициенты Kı и К? определяются в зависимости от отношения полуосей некруглого фюзеляжа b/а.

b/a' 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Кг 0,162 0,206 0,250 0,300 0,331

К_г 0,050 0,071 0,091 0,115 0,139

В сущности знание величин изгибающего момента М_тах и касательных сил q_o6m достаточно, чтобы предварительно найти параметры шпангоута, потому что определяющей нагрузкой, как уже отмечалось, для него является изгиб. Но в данном случае в качестве типового примера рассмотрим более подробно расчет параметров с учетом нагрузок в общем виде от перерезывающей силы Q и нормальных усилий N.

Предварительно заметим общую черту в нагружении шпан­гоутов сосредоточенной силой или силами. Величина Q_raax на эпюрах всегда располагается в сечениях, в которых приложена внешняя нагрузка и в большинстве случаев составляет0,5Р. Расчетные значения сил N редко превышают 0,ЗР, но сечения, где действуют N_max, не всегда легко указать. Таким образом, параметры сечений шпангоута, рассчитанные из условия действия максимального изгибающего момента М_тах, в дальнейшем по­требуют лишь незначительной корректировки с учетом сил Q и N.

Итак, уточнение параметров следует начинать с определения усилий в поясах S_n, задаваясь при этом высотой стенки /г_ст шпангоута

(10.25)

Эту задачу целесообразно решать одновременно с выбором тол­щины стенки ôст, имея в виду, что допустимые напряжения в ней

(10.26)

должны назначаться из условия сохранения стенкой устойчиво­сти. Это может быть достигнуто либо значительным увеличением толщины стенки, что будет, например, вполне согласовываться с технологическим процессом ее изготовления (штамповка, ме­ханическая доработка), либо подкреплением стойками с одной или с двух сторон.

Стенки усиленных шпангоутов независимо от их конструктив­ного исполнения (сборные, монолитные с поясами, двойные) не делают тоньше 1,0 мм, так как они обладают низкими несущими свойствами и требуют подкрепления стойками. Стенки толще 8 мм имеют слишком большую массу, поэтому следует искать другие конструктивные или технологические решения.

Изготовление цельноштампованных стенок вместе с поясами является целесообразным при небольших строительных высотах. Для высоких стенок удается получить приемлемые толщины, как правило, за счет увеличения трудоёмкости изготовления и об­работки вместе с одновременным усложнением их формы. Но надо иметь в виду, что преимущества высоких стенок часто те­ряются из-за ограничений в применении материалов и техноло­гических процессов: по габаритным размерам изделия, толщинам необработанных стенок, высотам и форме ребер и т. п.

Поэтому стенку лучше всего считать толстой и выбирать соответствующие ей допускаемые напряжения . Это условие, кстати, исключает вероятность дополнительного нагружения изгибом заклепок и работы их головок на отрыв (или сварных точек на отрыв).

Усиление и подкрепление стенок стойками — широко распро­страненное мероприятие. Стойки, так же как и ребра, должны быть установлены в местах действия максимальных изгибающих моментов, больших прогибов (на некоторой длине сектора), в зонах перестыковок стенок и поясов, если шпангоут составной. Стойки располагают либо с одной стороны, либо с двух—симме­трично. В последнем случае величийа касательных напряжений [т] увеличивается на 22 ... 25 %.

Основной характеристической величиной стенки является от­ношение шага стоек t_CT к толщине стенки ô_CT. Сохранение его в пределах í_CT/ô_CT = 100 ... 120 позволяет получить наибольшие значения [т 1 при условии удовлетворения не менее важного соот­ношения для толстых стенок, не теряющих устойчивости, /i_CT/ô_CT = = 80 ... 100. При проектировании стенки эти параметры можно

(10.27)

предварительно задавшись [ ) для выбранного материала. Для определения в случае одностороннего подкрепления стойками из алюминиевого сплава стенок также можно воспользоваться номограммой (рис. 10.42).

Следует отметить, что расчитанный или выбранный шаг стоек t_Ct или ребер, как правило, не постоянен по длине стенки шпан­гоута, он уменьшается в местах больших деформаций, в местах приложения сил и на участках действия M_шах.

Подбор сечения и формы поясов не вызывает затруднений и производится по методике определения параметров поясов лон­жеронов крыла. Влияние кривизны поясов при расчете сечений (особенно для фюзеляжей больших диаметров) мало, и оно не­значительно отразится на проектировочных результатах.

На этапе предварительных конструкторских разработок для простоты рассматривают шпангоут с постоянным шагом стоек (ребер) и с постоянной изгибной жесткостью. Но при уточнении параметров целесообразно, прежде всего для уменьшения массы, жесткость шпангоутов делать переменной. Так же иногда посту­пают и с нормальными шпангоутами, увеличивая, при прочих неизменных параметрах, например, высоту стенок верхних и нижних полусводов и уменьшая —на боковинах. Для усиленных

Рис. 10.42. Параметры подкрепления стойками стенок шпангоутов

шпангоутов переменную жесткость можно реализовать различ­ными путями, усиливая пояса или комбинируя параметры поя­сов и стенки, добиваясь /_шах сечения. Первоначально жесткость изменяют ступенчато, разбивая шпангоут на 3—5 частей в за­висимости от вида нагружения, характера эпюр и деформаций, стараясь при этом выдержать разницу площадей сечений в пре­делах F_m!a/F_mln <: 4. Большее различие площадей выделенных секторов создает технологические и конструктивные трудности при выполнении переходных участков.

2. Рамный шпангоут в зоне стыка фюзеляжа с крылом, нагружен­ный двумя диаметрально приложенными моментами (рис. 10.43)

Такие и подобные им шпангоуты находят: широкое распро­странение, так как выгодны в компоновочном отношении. На­грузка от изгибающего момента М_ШТ =РН в виде сил Р при­ложена в узлах стыка. Классическая конструкция шпангоута — рама переменной жесткости с оребренной стенкой. Технологически он может изготавливаться целиком штампованным, из нескольких штампованных деталей из одного материала, сборным из разно­образных элементов, выполненных из различных материалов.

Если рассматривать шпангоут переменной жесткости, что в большей мере отвечает реальным конструкциям, то с достаточ­ной для практики точностью можно считать моменты в точках а и Ь близкими к 0. Тогда система статически определима и уравновешена парой сил S_a и S_b на плече 2R, т. е. S_a = S_b = PH/(2R) (при среднем положении стыковых узлов). Текущие значения изгиба­ющего момента M_изг, перерезывающей Q и нормальной N сил в сечениях шпангоута легко найти по следующим формулам:

Рис. 10.43. Рамный шпангоут в зоне Рис. 10.44. Нагружение нижнего пвлу- стыка фюзеляжа с крылом свода шпангоута изгибом

М_тг = SR (1 — cos ß), Q = S sin ß и N = S cos ß, где ß — принятый текущий угол при построении эпюры изгибающих мо­ментов. Из формул следует, что М_атх = PHI2, Q_max = Р — — PH/(2R) = Р (1 — H/(2R)) « Р при условии, что расстояние между стыковыми узлами крыла мало по сравнению с диаметром фюзеляжа. Подобный подход к определению параметров шпан­гоута может оказаться недостаточно точным для интегральных компоновочных схем самолетов.

Указанный характер работы шпангоутов определяет ряд кон­структивных рекомендаций. Видно, что наиболее нагруженной зоной от М_изг и Q является участок вблизи стыковых узлов. Стенка в этом месте выполняется наиболее толстой, оребренной, а пояса, и в целом сечение шпангоута, максимальной жесткости. Участки вблизи точек а и b ввиду малости М и Q сечения, оче­видно, будут нагружаться в основном нормальными силами N, которые вызовут растяжение-сжатие.

Эпюра деформаций указывает наличие нескольких зон по обводу, где происходит чередование сжатия и растяжения. В этих зонах должно быть обращено внимание на работу поясов шпан­гоута. Несмотря на большую собственную жесткость шпангоута, его внутренний пояс, не будучи подкрепленным обшивкой, может терять устойчивость, поэтому его следует делать шире, чем на­ружный. Кроме того, именно из-за большой собственной жестко­сти шпангоута, часто обшивку, прилегающую к нему по контуру, изнутри подкрепляют лентой шириной (2 ... 2,5) Ьп.

Интересно отметить одну особенность этого шпангоута, свя­занную с расположением места стыка, зоны присоединения крыла. На эпюрах моментов есть точки, в которых изгибающий момент М_азг теоретически будет равен 0 (рис. 10.44). Это обстоятельство можно использовать для выреза в центропланной части фюзе­ляжа, размещения наружных подвесок, размещения так назы­ваемой килевой балки (особенно для пассажирских самолетов), когда строительная высота под центропланом крыла мала. В этом проявляется внутренняя связь между разработкой общей схемы самолета, КСС фюзеляжа и проектированием отдельных его эле­ментов.

Как отмечалось выше, шпангоуты такого типа могут быть Составными. На рис. 10.45 показаны возможные варианты их исполнения.

Рис. 10.45. Рамные составные шпангоуты

На схеме 10.45, а боковины шпангоута, выполненные из стальных поковок, соединены со штампованными полусводами из алюминиевого сплава. Шпангоут, показанный на рис. 10,45, б, состоит из четырех частей: двух стальных кованых боковин со стыковыми консолями, нижнего стального полусвода и комбини­рованной верхней панели, состоящей из плиты из алюминиевого сплава большой строительной высоты и стальной толстой полосы, присоединенной к нижней ее полке. Обе схемы позволяют ра­ционально и дифференцированно распределять нагрузки между элементами (например, включая в работу полосу при нагружении в расчетных случаях D). Схема 10.45, в представляет собой не­которое промежуточное решение между типичной рамой и стерж­невой комбинированной системой, хотя по идее оно ближе к раме, у которой криволинейные своды спрямлены стержнями, воспри­нимающими изгибающий момент от боковин на большем плече, чем у стыка, но меньшем, чем D_ф. Изменяя расположение стерж­ней по высоте Н/Һ, их поперечные сечения , жесткость боковин, можно получить рациональные схему и комбинации параметров.

Общим для всех составных шпангоутов является наличие до­полнительных соединений отдельных частей. Но несмотря на некоторое очевидное увеличение из-за этого массы конструкции, такие шпангоуты могут оказаться более выгодными при всесторон­нем анализе их преимуществ и особенно с компоновочной точки зрения.

Шпангоуты данного типа часто пересекаются лонжеронами — балками центроплана крыла (рис. 10.46, а). Такая форма передачи нагрузок от крыла на фюзеляж является наиболее рациональной, поскольку изгибающий момент можно замкнуть по кратчайшему пути в плоскости симметрии фюзеляжа, избежав нагружения арок - полусводов. Тогда шпангоут выполняется разрезанным на две части — верхнюю и нижнюю, — соединенные непосред­ственно на узлах пересекающей балки. Или в другом варианте — связанным с лонжероном, проходящим спереди (сзади) него, или между сдвоенными шпангоутами. В обоих случаях происходит разделение нагрузок — момент направляется по лонжерону, а в стыках со шпангоутом распределяется пропорционально их