Нагрузки, действующие на крыло

 

Крыло – основная часть самолета, создающая подъемную силу и обеспечивающая поперечную устойчивость. К нему предъявляются много аэродинамических, прочностных, конструктивных, производственных и эксплуатационных требований. Эти требования находятся в противоречии друг с другом, и конструктору приходится принимать компромиссные решения. Например, большое удлинение крыла l с точки зрения аэродинамики полезно, а с точки зрения прочности – нежелательно, так как у длинного крыла изгибающие моменты большие.

 

 

Рис. 4. Распределение нагрузок в случае А.

 

Большое сужение h ухудшает аэродинамические характеристики крыла, но улучшает его прочностные характеристики. Большая относительная толщина профиля  увеличивает строительную высоту крыла, т.е. облегчает обеспечение его прочности, но одновременно увеличивает его лобовое сопротивление. Стреловидность крыла c улучшает его основные аэродинамические характеристики на околозвуковых скоростях, но затрудняет обеспечение его прочности из-за дополнительных крутящих моментов, возникающих у него. В результате стреловидное крыло получается в два раза тяжелее, чем прямое.

На крыло действуют распределенные нагрузки от воздушных сил и веса крыла, а также сосредоточенные силы от веса двигателей, гондол, шасси и других грузов в крыле. На рис. 4 показано распределение нагрузки в расчетном случае А_кр (выход из пикирования на C_{y max}). Воздушная нагрузка и вес крыла показаны эпюрами распределенной погонной нагрузки q _аэр и q _кр.

Точное распределение воздушной нагрузки можно получить по аэродинамическим характеристикам крыла (в зависимости от l,h и c). Но более просто с достаточной степенью точности погонную нагрузку q _аэр можно считать пропорциональной хорде. Так как расчетная сила на все крыло

,

то

.

Тогда

,

аналогично

.

Суммарная погонная нагрузка на крыло будет равна

.

Каждая половина крыла рассчитывается как консольная балка (рис. 5). Погонная нагрузка q_z вызывает поперечную силу Q_z и изгибающий момент M _изг.

;

.

 

 

Рис. 5. Эпюры сил и моментов, действующих на крыло в случае А:

а) – эпюра нагрузок на крыло в расчетном случае А; б) – эпюра поперечной (перерезывающей) силы Q; в) – эпюра изгибающего момента М _изг; г) – эпюра погонного крутящего момента m_z;

 д) – эпюра крутящего момента М _кр.

 

Кроме того, из-за несовпадения точек приложения q _аэр и q _кр с центром жесткости профиля крыла получается погонный крутящий момент m_z (рис. 6):

,

где плечи a и c определяют, зная, что

 

 

Рис. 6. Схема сил, действующих в поперечном сечении крыла.

 

Интегрируя погонный крутящий момент по размаху крыла, получают крутящий момент M _кр:

.

Анализируя полученные эпюры сил и моментов, действующих на крыло (рис. 5), можно выяснить ряд особенностей его работы:

- вес крыла и грузы в нем (двигатели, топливо и т.п.) уменьшают в полете изгибающие моменты и перерезывающие (поперечные) силы;

- двигатели, расположенные в гондолах перед крылом, разгружают крыло от крутящего момента;

- перерезывающие силы с крыла передаются на фюзеляж и уравновешиваются его весом;

- изгибающие моменты с одной половины крыла уравновешиваются моментом другой половины крыла;

- крутящий момент крыла передается на фюзеляж и уравновешивается моментом горизонтального оперения;

- шасси главных ног, убирающиеся назад, увеличивают M _кр.

3.3 Конструкция крыла
и работа его отдельных силовых элементов

 

Конструкция крыла за время развития авиации претерпела большие изменения. Крыло самолета А. Ф. Можайского имело деревянный каркас с расчалками, обтянутый с верхней выпуклой стороны материалом. Продолжительное время строились самолеты с бипланными деревянными крыльями и полотняной обшивкой. Позднее стали строить самолеты с цельнометаллическими монопланными крыльями, имеющими первоначально ферменные, а позднее балочные лонжероны и нервюры.

В настоящее время на самолетах ГА в основном применяются свободнонесущие монопланные крылья с гладкой работающей обшивкой, моноблочной (кессонной) силовой схемы.

Моноблочное крыло — цельнометаллическое тонкостенное сооружение, оболочка которого подкреплена внутренними продольными и поперечными элементами: лонжеронами, стрингерами и нервюрами (рис. 7). Силовой частью крыла является моноблок, расположенный между крайними лонжеронами крыла. Моноблок образуют верхняя и нижняя панели стенки лонжеронов и нервюр. Каждая панель состоит из обшивки, стрингеров, полок лонжеронов и нервюр.

Обшивка крыла выполнена из гладких плакированных листов (материал Д16АТ, В95), толщина которых увеличивается по мере приближения к корневой части от 0,6 до 6 мм. Масса обшивки достигает 60% массы моноблочного крыла. Листы обшивки соединяются встык и крепятся к внутреннему набору клепкой, сваркой, клейкой.

На современных самолетах широко используются монолитные панели: обшивка и внутренние силовые элементы выполнены «из одного куска». Такие панели изготовляют литьем, прессованием, фрезерованием, химическим травлением. Их подвергают механической обработке стальными шариками, что обеспечивает им заданную форму и выносливость.

Обшивка придает крылу аэродинамическую форму; воспринимает воздушную и массовую нагрузки залитого в бак-отсек топлива; нагрузку от обшивки боковин фюзеляжа, мотогондол, шасси и работает в общей силовой схеме крыла.

Воздушная нагрузка и нагрузка топлива действуют на обшивку нормально ее поверхности. Сохранение внешней формы крыла обеспечивается внутренними силовыми элементами: лонжеронами, стрингерами, нервюрами. Каждый прямоугольник обшивки, ограниченный смежными продольными и поперечными элементами и работающий на поперечный изгиб, передает на эти элементы поперечную нагрузку. Обшивка работает на растяжение, заклепки — на растяжение и срез.

В перспективе развития крыла самолета ГА — применение многослойной обшивки, выполненной из внутреннего и наружного тонких металлических листов, между которыми расположен легкий заполнитель. Заполнитель в хвостовой части лопастей несущих винтов вертолетов Ми-6 и Ми-8 имеет сотовое строение.

Рис. 7.

Перспективными материалами для обшивки крыла являются композиционные материалы, состоящие из высокопрочных тонких нитей (нити бора, стекловолокно, графитовое волокно), заключенных в связующую основу (пластмассы, алюминиевые и другие матрицы).

Лонжероны – продольные балки (рис. 8), образованные двумя поясами 1, стенкой 2 и подкрепляющими стойками 3 (изготовлены из материала Д16АТ и В95). Масса лонжеронов составляет 6-10% массы крыла.

Пояса выполняются из прессованных и катаных профилей с последующим фрезерованием, обеспечивающим равнопрочность по размаху и наименьшую массу. Пояса со стенкой и обшивкой соединяются с помощью лапок и заклепочных швов. Съемная передняя часть крыла соединяется с полками переднего лонжерона с помощью винтов и свободноплавающих гаек.

Лонжероны воспринимают местные нагрузки от обшивки, нервюр, агрегатов, топлива и работают и общей силовой схеме крыла.

Пояса лонжерона воспринимают изгибающий момент М_z. В них появляются осевые силы сжатия-растяжения N и соответствующие нормальные напряжения σ (рис. 8).

Рис. 8. Конструкция балочного лонжерона:

1 – пояс; 2 – стенка; 3 – стойка.

Стенка лонжерона выполнена из листового дюралюминия толщиной от 3 (Ан-24) до 12 мм (Ту-154). Она воспринимает вертикальную поперечную силу Q_z и участвует в восприятии крутящего момента M _{кр z}. В стенке появляются касательные напряжения t _Q и t _{M кр} (см. рис. 8).

Стрингеры — продольные профилированные силовые элементы, прессованные или катаные из брусков, гнутые или катаные из листов дюралюминия. В корневой части моноблочного крыла, как правило, применяют профили закрытого сечения (рис. 9,а) с высокими критическими напряжениями местной и общей потери устойчивости. В концевой части крыла используют менее прочные открытые профили (см. рис. 9,б). Масса стрингеров составляет около 20% массы моноблочного крыла.

Стрингеры жестко связаны с обшивкой (заклепочным или клеесварным швом) и нервюрами (с помощью лапок и накладок). Они воспринимают местные погонные воздушные и массовые нагрузки со стороны обшивки, работают как многоопорные балочки на поперечный изгиб и, в свою очередь, нагружают нервюры. В общей силовой схеме крыла стрингеры воспринимают продольные силы сжатия и растяжения. Стрингеры и обшивка взаимно увеличивают устойчивость друг друга.

 

 

Рис. 9. Профиль стрингеров: а – закрытого сечения;

б – открытого сечения.

 

На перспективных самолетах широко применяют монолитные панели, где стрингеры выполняются «из одного куска» с обшивкой. На крыльях с многослойной обшивкой стрингеры отсутствуют.

Нервюры — поперечные балки, образованные двумя поясами, стенкой и стойками. Состоят из трех частей; передней, средней и хвостовой. Масса нервюр составляет 10—14% массы крыла. Они имеют форму профиля крыла и размещаются по потоку (c=0°) или перпендикулярно переднему лонжерону (c>0°). Расстояние между нервюрами зависит от толщины обшивки, шага и мощности стрингеров, удельной нагрузки крыла и составляет 150—400 мм.

По назначению и конструкции нервюры делятся на нормальные и усиленные.

Нормальные нервюры обычно штампуют из листового дюралюминия толщиной 0,8—1,5 мм. Отогнутые края стенки образуют полки нервюр, которые склепываются с обшивкой или стрингерами. Такие полки иногда усиливают дополнительным уголковым профилем. Стенки нервюр приклепывают к стенкам лонжеронов.

Нормальные нервюры устанавливаются по всему размаху крыла. В топливных баках-отсеках стенки предотвращают волнообразование и гидроудары, а отверстия стенок обеспечивают перетекание топлива и выравнивание давления газов над топливом (см. рис. 7). В местах размещения мягких резиновых баков с контейнерами устанавливают поясные нервюры. Верхний и нижний пояса состоят из наружной и внутренней полок и невысокой стенки.

Нормальные нервюры обеспечивают выдерживание аэродинамического профиля крыла. Каждая из них воспринимает нагрузку обшивки и стрингеров на шаге нервюр (рис. 10).

Поперечная сила  вызывает касательные напряжения в стенке и уравновешивается силами реакции R ₁ и R ₂ лонжеронов (см. рис. 10, в):

.

Несовпадение P _н с плоскостями стенок лонжеронов сопровождается появлением изгибающего момента М _н который уравновешивается парой нормальных сил N _н в полках нервюры: М _н = N _н H.

 

Рис. 10. Схема нагружения и работы нормальной нервюры:

а — внешняя нагрузка; б — равнодействующая внешней нагрузки;

в — равновесие нервюры.

Несовпадение Р _н с ЦЖ_Н приводит к появлению крутящего момента М _кр.н = Р _н е (см. рис. 10, б), который уравновешивается потоком касательных усилий τ _{М кр} в замкнутом контуре крыла, образованном обшивкой верхней и нижней панелей и стенками крайних лонжеронов (см. рис. 10, в).

В общей силовой схеме нервюры увеличивают устойчивость сжатой обшивки и стрингеров.

Усиленные нервюры выполняют функции нормальных нервюр, обеспечивают стыковку частей крыла, крыла с фюзеляжем, подкрепляют крыло в местах излома моноблочной части, воспринимают сосредоточенные нагрузки от прикрепленных к крылу двигателей.