Определение нагрузок и расчет на прочность

Определение нагрузок и расчет на прочность

Хвостового оперения самолета.

Хвостовое оперение предназначено для обеспечения путевой и продольной устойчивости самолета.

Оно имеет две поверхности:

горизонтальное (г.о.) – для управления полетом в вертикальной       плоскости,

вертикальное  (в.о.) - для управления полетом в боковой плоскости.

Оперение бывает одно-, двух- и многокилевое. Применяется также цельноповоротное оперение, вследствие того, что на сверхзвуковых скоростях мала эффективность рулей.

По конструктивно- силовой схеме оперение бывает одно- и двухлонжеронное. Так как схемы оперения и крыла аналогичны, то и методы расчета тождественны. Некоторое отличие состоит лишь в определении внешних нагрузок и в методах расчета цельноповоротного оперения.

Типы оперения:

  

Однокилевое       двухкилевое         трехкилевое     среднее        Т-образное    

                                                                                                                     Двухкилевое

Форма в плане:

Прямое     стреловидное      треугольное

 

Определение внешних нагрузок, действующих на горизонтальное оперение при однокилевой схеме.

 

Рассмотрим три расчетных случая нагружения:

- уравновешивающая нагрузка,

- маневренная нагрузка,

- нагрузка при полете в неспокойном воздухе.

 

Определение уравновешивающей нагрузки.

Пусть самолет совершает горизонтальный полет. На него будут действовать следующие нагрузки: подъемная нагрузка Y_кр , сила тяжести G₀ , сила тяги P, лобовое сопротивление X.

Только вес G₀ приложен, при этом, в центре масс самолета, остальные силы создают вращение относительно его. Возникает момент М _z  относительно оси о z. Следовательно, нужен обратный, стабилизирующий момент, уравновешивающий М _z.

Такой момент создается силой на оперении, на плече L_го:

 

М _z  = Y_{ур го} L_го

 

Оперение связано с компоновкой самолета, поэтому выбор оперения зависит от аэродинамики и условий эксплуатации.

Таким образом, уравновешивающая сила на оперении равна:

 

Y_{ур го} = М _z/ L_го                                                              в летном диапазоне

Определяем М _z:                                             

    М _z = m_z qS_кр b_сах

где b_сах – средняя аэродинамическая хорда,

    m_z  - коэффициент момента, определяемый из продувок.

m_z = m_z0 + m_z^{C y} c_y = m_z0 + m_z^{C y} nG₀ b_сах/ L_го

В аэродинамическом канале продувается модель самолета без горизонтального оперения.Замеряется m_z в зависимости от угла атаки. Берется различное положение центра масс самолета относительно передней кромки крыла.

                                 от скоростного напора     от перегрузки

                                Y _ур = m_{z 0} qS _кр b _сах / L _го     + m_z ^{C y} nG ₀ b _сах / L _го

С ростом a коэффициент m_z  падает.

При малых a он велик.

В случае В   a =1.5 – 3⁰ ,

в случае А¢   a =3 – 4⁰ ,

в случае А a =16⁰  ® m_z» 0 и Y_ур=0

Распределение полной аэродинамической нагрузки

По хорде оперения.

 

Руль высоты загружается отдельно,   следовательно, Y_ур распределяется по стабилизатору и рулю по разным законам.

 

 

Для цельноповоротного оперения распределение нагрузки по хорде имеет вид (см. рис.).

 

h – удельная нагрузка,

                                                  

Y_{ур го}= Y_стаб + Y_рв

                                                                                               

Y_стаб = Y_{ур го} - Y_рв

 

Часть нагрузки, приходящаяся на стабилизатор, может быть определена из рассмотрения балочной модели.

                                                       

Y_стаб = Y_{ур го}(S_го + S_рв)/ S_го ® Y_стаб> Y_{ур го} ; Y_рв = Y_{ур го} S_рв/ S_го;

15.1.2. Определение маневренной нагрузки на горизонтальное оперение.

Маневренная нагрузка возникает вследствие отклонения руля высоты при изменении траектории полета самолета. Она создается усилием летчика.

Определяется Y_{ман го} применительно к расчетным случаям А¢, В и С по формуле:

± - т.к. руль отклоняется как вверх, так и вниз.

n^э - эксплуатационная перегрузка. (Вообще говоря, для всех вышеупомянутых расчетных случаев берется одна величина перегрузки, которую можно определить из соотношения:

Y^э = G₀ n^э _max= c_y q S_кр.

Разными будут лишь c_y для различных расчетных случаев.

Коэффициенты k можно приближенно  определить по таблице:

 

q	A ¢	B	C
Дозвуковые самолеты q < 1800	0.265	0.2	0.2
Cверхзвуковые самолеты q > 1800	0.33	0.25	0.25

 

Полная расчетная нагрузка на оперение, учитывая уравновешивающую нагрузку будет:

Y_го^р = (Y_ур^э_го ± Y_ман^э_го ) f

 

Случаи В и С выполняются при весьма малых углах атаки (при сл.В – положительных, при сл.С - отрицательных), позтому коэффициенты k в этих случаях одинаковы.

Распределение полной маневренной нагрузки по хорде:

 

 

Нормальная схема                                       ЦПГО

 

Прочность руля проверяется при нагружении по графику 2, а прочность передней части – по графику 1.

 

Уравновешивающая нагрузка.

Ph = Z_{ур во} L_во ® Z_{ур во} = Ph/ L_во ;

P = N_x;             Z_{ур во} = N_z;

У одномоторных самолетов этого не будет, т.к. двигатель установлен по оси самолета и возникновение момента возможно лишь при косой обдувке самолета

 

Маневренная нагрузка.

Единственная максимальная маневренная нагрузка создается за счет отклонения руля направления

Z^э_ман = ± 0.37 q_mS_во ; Z^р_ман = Z^э_ман f;

Распределение маневренной нагрузки по хорде – по графику 1 (см. ГО).

Нагрузка между килем и рулем распределяется пропорционально их площадям.

 

При двухкилевой схеме.

Нагрузки на горизонтальное оперение двухкилевой схемы определяются по формулам для однокилевой схемы с некоторыми дополнениями.

При определении Y_нв  коэффициент 1.5 возрастает до 1.65. При такой схеме нагружаются и вертикальные шайбы.

Изменив направление подъемной силы, получим:

 

 

Нагрузка по размаху распределяется пропорционально хордам:

Для ЦПГО

При построении эпюр М_изг,Q, M_кр по размаху массовыми нагрузками пренебрегаем по малости.

        

Расчет на прочность ЦПГО.

Рассмотрим сначала двухлонжеронную схему ЦПГО.

 

 

В сжатой зоне обшивка принимается неработающей. Поворотная ось – стальная. Все нагрузки с оперения в конечном итоге переходят на ось.

Заданы:

Q, M _изг, M _кр.

Для лонжеронов опорами являются нервюры 1-1¢ и 2 - 2¢. Каждый лонжерон имеет две опоры. С лонжеронов все нагрузки должны перейти на нервюры, а с нервюр - на ось. Она имеет две опоры на фюзеляже. М_кр   воспринимается осью и тягой.

Для расчета сечений I-I и II-II имеем распределение изгибающего момента:

ì M ₀  = M _п + M _з                               M _п  = M ₀ EI _п / E (I _п + I _з )

í M _п = EI _п                       ®

î M _з   EI _з                                              M _з  = M ₀ EI _з / E (I _п + I _з )

 

Нас интересует сечение, близкое к нервюре 2 - 2¢. Рассмотрим сначала участок 1-2:

R ₁ = - M / l + ql /2;

Теперь - участок 1¢- 2¢     R ₂ = M / l + ql /2;                                                

                                                                                                                         

           Далее строим эпюры Q и М_изг . Надо рассчитать нервюры.

 

    I-I¢

                       поворотная ось                            Балка с одной опорой

                                                                       М_лев = R ₁ b;

                           М_пр = R ¢ ₁ а;

                                                                      М_кр =  М_пр - М_лев ;

 

Перенесем реакции в точку закрепления. Нервюра рассчитывается на изгиб с перерезывающей силой.

Реакции перпендикулярны чертежу (рис.2).

         

 

качалка

Ось                        М_кр - за счет потока в поворотной оси и наличия изгибающего момента М_изг .

  Определение t производим не разделяя изгиб от кручения.

В общем случае рассматриваем трехзамкнутый контур, но в первом приближении работой стенок пренебрегаем  и рассчитываем однозамкнутый контур.

Тогда

q ₀ = (∮ q_Qρds + Q_ya)/2 ω и q_Σ = q ₀ +   q_Q

 

    Пренебрегаем носком и хвостовой частью нервюры. Тогда сечение примет вид:

 

    Ось жестко заделана в нервюре.

    Можно с нервюры 2-2¢ снять часть нагрузки и передать на ось.     Распределение потока касательных усилий должно складываться из двух потоков:

q_Σ = q _0бш + q _тр

 

          q_0бш     ‗ G_обшЈ_0обш

q _тр          G _тр Ј_0тр

 

    Решаем уравнения совместно и найдем, какая часть потока воспримется обшивкой, а какая – поворотной осью. После нервюры 2 - 2′ момент воспринимается обшивкой, а затем нервюра 1-1′ передаст момент полностью на ось:

M_kpΣ / h = ± R _{от круч}

    Момент разложится на тяге на  две составляющие: одна направлена по оси, другая – к пилоту.

Определение нагрузок и расчет на прочность