Учебное пособие 1938
.pdfМИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет»
Кафедра самолётостроения
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВОГО ШПАНГОУТА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению практических работ по дисциплине «Конструкция самолётов»
для студентов специальности 24.05.07 «Самолёто- и вертолётостроение»
очной и заочной форм обучения
Воронеж 2019
УДК 621.454(07)
ББК 39.55я7
Составитель канд. техн. наук С. К. Кириакиди
Методика проектирования силового шпангоута: методические указания к выполнению практических работ по дисциплине «Конструкция самолётов» для студентов специальности 24.05.07 «Самолёто- и вертолётостроение» очной и заочной форм обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. С. К. Кириакиди. Воронеж: Изд-во ВГТУ,
2019. 21 с.
Методические указания содержат материалы, которые необходимы для знакомства с конструкцией и методикой расчёта силового шпангоута среднемагистрального пассажирского самолёта. Представлена подробная информация о всех этапах разработки шпангоута самолёта.
Предназначено для студентов 4 курса специальности 24.05.07 «Самолёто- и вертолётостроение» очной и заочной форм обучения.
Ил. 9.
УДК 621.454(07) ББК 39.55я7
Рецензент – канд. техн. наук, доц. В. В. Самохвалов
Печатается по решению учебно-методического совета Воронежского государственного технического университета
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВОГО ШПАНГОУТА
Шпангоут фюзеляжа представляет собой плоскую раму постоянного или переменного сечения, нагруженную в общем случае произвольной системой сил. При таком нагружении в каждом поперечном сечении шпангоута
возникают изгибающий момент |
, |
поперечная сила |
|
и нормальная сила , |
||||
|
|
|
|
|
определения усилий |
|
||
действующие в плоскости шпангоута |
(рис. 1). Задача |
|
|
|
, |
|||
и |
|
в общем случае является |
трижды статически |
Для |
||||
|
неопределимой. |
раскрытия статической неопределимости использован метод сил. Выберем эквивалентную систему, разрезав мысленно шпангоут в точке А (рис. 1). Тогда для эквивалентной системы получим
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
+ , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
||
|
|
|
|
|
|
= |
+ , |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
||
|
|
|
|
|
|
= |
+ , |
|||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
=1 |
|
|
, |
|
и |
|
– изгибающий момент, |
поперечная и нормальная силы в |
||||
эквивалентной системе от внешней нагрузки; |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– неизвестные силы ( =1,2,3); |
|
|
||||||
|
, |
, |
|
– изгибающие |
моменты, поперечные и нормальные силы от |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
единичных нагрузок, приложенных в направлении в разрезанном шпангоуте.
Рис. 1. Нагружение силового шпангоута
3
Неизвестные усилия найдем из системы канонических уравнений:
∆ + 3 ( = 1,2,3),
=1 где ∆ = ∫ 0 и = ∫ ;
– изгибная жесткость сечения шпангоута.
Положительные направления внутренних усилий показаны на рис. 2.
|
Рис. 2. Положительные направления внутренних усилий |
|
|
|
|
||||||||||
Эпюры |
|
показаны на рис. 3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Внешними нагрузками для шпангоута являются действующие усилия - |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сосредоточенные силы и моменты , |
|
и уравновешивающие их поток |
|||||||||||||
касательные |
усилия в обшивке T. |
Для |
определения усилий |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
и |
|
|
рассмотрим элементарную дугу ds с координатой (рис. |
4). На эту дугу от |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
потока касательных усилий |
|
действует элементарная сила |
|
|
|
|
. |
||||||||
Перенесем эту силу в точку "С |
" с координатой |
|
. Получим |
|
∆ = |
|
|||||||||
= |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
∆ = −∆[ − cos( − )], |
|
|
|
|
|
|
∆ = −∆cos( − ), ∆ = −∆sin( − ).
4
|
Рис. 3. |
Эпюры моментов от единичных сил |
|||
Полное значение усилий в сечении |
|
определим, суммируя усилия по |
|||
всей дуге. С учетом сосредоточенных сил |
, действующих в промежутке от 0° |
||||
до , запишем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
= − [ cos( − )] + , |
||||
|
0 |
|
|
|
=1 |
|
= − cos( − ) + , |
||||
|
|
0 |
|
=1 |
5
|
|
= − sin( − ) + , |
|
0 |
=1 |
где , – проекции на оси z и y сечения. |
|
Рис. 4. Элементарная дуга шпангоута
Для двух схем нагружения данные интегралы приведены (для разрезанного шпангоута) в таблице [2].
|
Решая систему канонических уравнений, находим: |
−∆3 11 |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
∆3 |
13 |
−∆1 33 |
; 2 = |
−∆2 |
∆1 |
31 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
= 11 |
33 |
− 13 |
31 |
|
22 |
; 3 = 11 |
33 |
− 13 |
31 . |
|
и |
|||||||
|
После |
|
вычисления |
влияния |
|
коэффициентов |
влияния |
|
||||||||||||||
неизвестных усилий |
|
|
определяются внутренние усилия для |
произвольного |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, ∆ |
|
|||||||||
сечения замкнутого |
шпангоута: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
+ 2 |
2 + 3 3, |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= + 1 1 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
+ 1 cos − 2 sin , |
|
|
|
|
|
|||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
+ 1 sin + 2 cos , |
|
|
|
|
|
||||||
, |
, |
– изгибающий момент, осевая сила, поперечная сила от внешних |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
нагрузок в разрезанном шпангоуте.
6
|
|
= sin |
|
2 |
(1 − cos ) − sin |
= −2 |
|
= − sin |
|
|
2 |
= −2 (sin − cos )
= − = 2 −02 sin=2−0 2 0 sin= −2 0 (1 −cos )
После нахождения M, N и Q проводим эскизное проектирование, а затем проверочный расчет, при котором находим нормальные и касательные напряжения в любом сечении шпангоута.
7
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
Пример
По исходным данным провести проектировочный расчет на прочность силового шпангоута задней точки крепления киля (узел крепления моментный) для полетного случая «B».
Дано: |
|
||
R, |
м,r , м – наружный и средний радиус шпангоута; |
||
ГО м – расстояние от центра масс самолета до центра давления |
|||
аэродинамической, |
нагрузки горизонтального оперения; |
||
, |
сек−2 – угловое ускорение самолета относительно оси z; |
||
, м – радиус инерции самолета относительно оси z; |
|||
|
|||
, |
кН – сила тяжести самолета. |
Схема крепления киля к фюзеляжу показана на рис. 5.
Рис. 5. Хвостовая часть фюзеляжа с силовыми шпангоутами 1во и 2во
Решение:
Определяем момент поверхностных= сил из соотношения
;
8
= = , |
|
∙ |
|
. |
2 |
кН |
|
м |
|
Находим маневренную нагрузку горизонтального оперения: |
|||||
∆ . |
|
|
|
, |
. |
|
= |
||||
м |
ГО |
|
|
|
Н |
|
|
|
ГО |
|
|
Определяем реакцию безмоментного узла крепления киля из
соотношения |
= ∆м.ГО ∙ (рис. 5) |
а 1 |
Определяем реакцию моментного узла крепления киля из выражения
а 2= ∆м.ГО ∙( + ).
Принимаем1следующую2 расчетную схему нагружения шпангоута (рис. 6), где F – реакция или .
Рис. 6. Параметры и нагрузки силового шпангоута
Выбираем основную статически определимую систему нагружения, выбрав место разреза. В месте разреза прикладываем неизвестные2 = 0 усилия, отбросив те, значения которых равны нулю. В нашем случае (в силу симметрии нагружения). Основная система приведена на рис. 7.
9
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 7. Основная расчётная система |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
Определяем выражение изгибающих моментов |
от внешних нагрузок |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
для разрезанного шпангоута. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= − 2 (1 −cos ) − sin . |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
По |
данной |
зависимости |
|
строим |
|
эпюру |
|
|
|
|
|
(рис. 7б). Принимая |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
= ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
помощью интеграла Мора (при |
|||||||||||||||||
неизвестные |
|
усилия равными единице, с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
вычислим коэффициенты влияния от единичного нагружения. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
Значения моментов при единичном нагружении приведены на рис. 8. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
(1 −cos ) |
2 |
|
|
|
|
3 3 |
м |
|
|
|||||||||||
|
|
|
= |
|
|
= |
|
|
= |
м |
, |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
11 |
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
= |
|
|
1 |
= |
|
, |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 2 |
|
м |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
33 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
= |
|
= |
|
|
= |
(1 − cos ) ∙ |
1 ∙ = |
, |
|
. |
||||||||||||||||||||||||
13 |
|
31 |
|
|
1 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆1, ∆3, соответствующим |
|||||||||||||
|
Вычислим перемещения от внешней нагрузки |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
умножением эпюр единичных и внешних сил |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆ |
|
= |
1 |
∫ |
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10