1.2 Назначение и конструкция основных силовых элементов.

Обшивка образует поверхность крыла, придает ему обтекаемую в соответствии с выбранным профилем форму, непосредственно воспринимает аэродинамическую нагрузку и передает ее на элементы продольного и поперечного наборов крыла, работает на сдвиг от кручения крыла, принимает участие в восприятии изгибающего момента М, работая при этом вместе со стрингерами на растяжение или сжатие.

Монолитные панели. Стремление уменьшить число соединяемых деталей и повысить герметичность крыльев, заполняемых топливом, за счет уменьшения числа швов, а также стремление получить гладкое крыло достаточной прочности и жесткости при меньшей массе привели к разработке и внедрению монолитных панелей — конструкций, где обшивка и подкрепляющие ее ребра жесткости образуют единое целое. Панели с перекрещивающимися ребрами называют панелями вафельного типа. Панель проще в производстве, но менее жестка, и при такой панели сложнее осуществить связь с нервюрами. Крылья с монолитными панелями, имеющими, как правило, большую толщину обшивки, обладают повышенной жесткостью на кручение, обеспечивают более гладкую поверхность крыла и возможность получения панели переменного сечения (в соответствии с действующими нагрузками). Это позволяет получать равнопрочную и потому более выгодную в весовом отношении, чем сборноклепаные, конструкцию.

Панели из композиционных материалов (стекло, пластик и т.д.) позволяют получать высокопрочную и жесткую конструкцию крыла при значительно меньших затратах массы. Панели из КМ изготавливают в виде гладких слоистых обшивок, обшивок со стрингерным подкреплением или трехслойных обшивок с сотовым заполнителем, используя автоматизированные для этих целей поточные линии.

Слоистая гладкая панель представляет собой несколько слоев лент из волокон, пропитанных полимерной матрицей, шириной до 300...400 мм, укладываемых на укладочную машину поочередно с ориентацией: на хорде (90°), под углами к хорде (±45°) и перпендикулярно к хорде (0°). Уложенные таким образом слои обшивки обеспечивают наивысшие прочностные характеристики панели. Далее панель предварительно обжимается и в неотвержденном состоянии обрезается по контуру. После этого панель помещается в пресс-форму, вакуумируется и отверждается в автоклаве.

Панель со стрингерным подкреплением изготавливается из предварительно отформованных обшивки и стрингеров с последующим их отверждением, в процессе которого обшивка соединяется (склеивается) со стрингерами.

Стрингеры — продольные элементы, подкрепляющие обшивку. Они нагружаются осевыми усилиями от изгибающего момента крыла и поперечными силами от местной воздушной нагрузки. При этом определяющими прочность стрингера являются продольные усилия, действующие в нем при восприятии изгибающего момента крыла. Величина этих усилий зависит от КСС крыла и определяет форму и потребную площадь поперечного сечения стрингера. Отношение массы стрингеров к массе крыла составляет от 0,04...0,08 в лонжеронных крыльях и до 0,25...0,30 — в кессонных крыльях.

По форме сечения стрингеры бывают открытого и закрытого П-образного сечения, по способу изготовления — гнутые и прессованные.

Гнутые профили изготовляют из листового материала. Открытые профили податливы, хорошо прилегают к обшивке, поверхность крыла получается гладкой, легко крепятся к обшивке и к другим элементам каркаса. Гнутые закрытые профили повышают ϭ_кр сжатия профиля и обшивки, так как меняются условия опирания обшивки — шарнирное на защемленное, но их трудно крепить к другим элементам конструкции, а двухрядный заклепочный шов портит поверхность крыла.

Прессованные профили имеют обычно более толстую стенку, чем гнутые, и при прочих равных условиях критические напряжения σ_кр сжатия у них выше, но их труднее крепить к обшивке (особенно с большой кривизной). Такие профили лучше применять в сильно нагруженных панелях крыла, оперения и фюзеляжа.

Лонжероны — продольные балки, состоящие из стенок и поясов. Пояса воспринимают изгибающий момент М крыла, работая на растяжение и сжатие; стенки, подкрепленные стойками, воспринимают поперечную силу Q и могут участвовать в восприятии крутящего момента М_к, замыкая контур крыла и работая в обоих этих случаях на сдвиг. Часть поперечной силы может уравновешиваться вертикальными проекциями осевых сил, если пояса лонжеронов (панели кессона) не параллельны и сходятся под углом γ.

Стенки лонжеронов выполняются из листового материала. Тонкие стенки подкрепляют стойками, чаще уголкового сечения, с тем, чтобы разделить стенку на отдельные панели и таким образом повысить значения ϭ_кр м, зависящие от соотношения h/а и относительной толщины ϭ/b, где b — меньший из размеров h или а пластинки. Роль стоек выполняют профили уголкового сечения и отбортовки стенок нервюр, используемые для крепления последних к стенкам лонжеронов. Стенка может выполняться в виде гофра или трехслойной. В конструкции лонжерона может быть одна или две стенки, но при прочих равных условиях в случае одной стенки толщиной 2δ значение ϭ_кр в четыре раза больше, чем при двух разнесенных стенках, каждая из которых имеет толщину δ. В связи с этим последние проигрывают по массе. Однако две стенки обеспечивают большую живучесть (если каждая из них обеспечивает восприятие приходящейся на стенку лонжерона нагрузки), и, кроме того, разнесенные стенки создают лонжерону жесткость на кручение, образуя с поясами замкнутый контур, что может быть использовано в лонжеронах рулей, управляемого стабилизатора, подкосной балки.

Ферменные лонжероны. Чаще всего они представляют собой сварную или клепаную конструкцию, основными элементами которой являются трубы и соединяющие их подкосы.

Лонжероны из КМ могут иметь сплошную или трехслойную стенку и сплошные или слоистые пояса. Стенка может быть либо прямолинейной, либо гофрированной вдоль его продольной оси. Гофрированная стенка позволяет получать более высокие уровни критических напряжений местной потери устойчивости. Материалом для лонжерона чаще всего служит углепластик или стеклотекстолит.

Процесс изготовления лонжерона из КМ включает в себя: предварительное формирование стенки из двух симметричных половин, поясов и силовой вставки для усиления связи продольных слоев с материалом стенки (обеспечивает непрерывность силового потока); сборку предварительно отформованных элементов лонжерона в ограничительном приспособлении; автоклавное формование и отверждение.

Нервюры по своему назначению и конструкции разделяются на нормальные и усиленные.

Нормальные нервюры обеспечивают заданную форму профиля крыла и передают местные воздушные нагрузки на лонжероны и обшивку (от обшивки и стрингеров). Поддерживая обшивку и стрингеры, нервюры увеличивают их критические напряжения.

От воздушной нагрузки нервюры работают на изгиб в своей плоскости и на сдвиг, опираясь на лонжероны и обшивку; при деформациях изгиба крыла — на сжатие. Выполняют нервюры в виде балок, при этом пояса с присоединенной обшивкой работают на осевые силы, стенки — на сдвиг.

Изготовляются стенки из листа штамповкой, пояса — иногда отбортовкой стенок, чаще — приклепыванием профилей такого сечения, чтобы было удобнее крепить обшивку и стрингеры, проще изготавливать нервюру. Отдельные части нервюры (хвостик, носик и межлонжеронная часть) стыкуются между собой через стенки лонжеронов и обшивку. При разъеме нервюр вдоль плоскости хорд каждая часть выполняется в виде двухпоясной балки, обеспечивая работу на изгиб каждой половины. Стенки нервюр большой высоты подкрепляют стойками, а отверстия в стенках круглого или овального сечения отбортовывают для повышения критических напряжений стенки. Масса нервюр по отношению к массе крыла составляет 0,08...0,12.

В работе рассматривается анализ процесса изготовления деталей, летательного аппарата, из листовых заготовок высокопрочных нержавеющих сталей деформированием высоким удельным давлением эластичной среды.