Главная | Обратная связь

Основные принципы рационального проектирования элементов конструкции

Лекция 3

Проектирование элементов авиационной конструкции

 

В соответствии с ЕСКД существуют следующие элементы конструкции:

- деталь – изделие, изготовленное из однородного материала без применения сборочных операций, а также изделие, изготовленное с применением покрытий, пайки, сварки, склепки, склейки и т.д. (стрингеры, продольная стенка и т.д.);

- сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению на заводе-изготовителе, (лонжерон, сборочная панель, кронштейн навески руля и т.д.)

- комплекс – два или более специализированных изделия, не соединенных на заводе-изготовителе путем сборочных операций, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций, (самолет и т.д.)

В авиационной промышленности применяют еще такие понятия, как агрегат (крыло, оперение, фюзеляж, шасси, системы управления) и узел (лонжерон и башмак, лонжерон и кронштейн навески руля).

Рассмотрим примеры:

Самолет с установленными навесными баками – это комплекс. Крыло, сварной цилиндр стойки шасси – это сборочная единица. Силовая нервюра – подсборка. Стрингер, трубка, сваренная из одного куска материала – это деталь.

 

Классификация элементов конструкции

Все элементы, составляющие конструкцию самолета, делятся на:

- элементы внешней поверхности (обшивка, стрингерная панель, прессованные панели и т.д.)

- элементы каркаса;

· продольный набор (лонжероны, стрингеры, бимсы, стенки);

· поперечный набор (шпангоуты, нервюры);

- элементы соединения (стыковые узлы, узлы навески рулей, механизации, косынки, накладки, кронштейны);

- элементы управления и механизмов (качалки, траверсы, детали шасси и силовых цилиндров);

- элементы крепления (болты, гайки, шайбы, винты Æ 6 мм, заклепки Æ 4 мм).

Основные принципы рационального проектирования элементов конструкции

 

Для того, чтобы рационально спроектировать элемент конструкции (выбрать КСС), надо четко знать место элемента в общей конструктивно-силовой схеме, т.е. понимать от какого элемента приходит нагрузка и к какому элементу она передается.

Рассмотрим основные принципы рационального проектирования элементов конструкции.

1. Передача силы должна осуществляться по кратчайшему пути и по прямой.

Рассмотрим передачу силы из точки А в точку В

При передаче силы с помощью стержня АВ, работающего на растяжение - сжатие, получаем конструкцию минимальной массы. В конструкции на второй части рисунка из-за помехи появляется дополнительный элемент, работающий на изгиб. Масса этой конструкции будет больше, т.к. при растяжении и чистом сжатии эпюра нормальных напряжений по сечению равномерная, а при изгибе крайние волокна, наиболее удаленные от нейтральной оси, испытывают наибольшие напряжения, в то время как остальные элементы сечения недогружены, в результате масса конструкции увеличится.

 

2. Правильное сочленение элементов узла.

 

Рассмотрим сочленение узла фермы

Силы, направленные по оси стержня фермы будут уравновешены в случае пересечения их в точке О. При наличии эксцентриситета а на пояс фермы дополнительно действует момент на изгиб, который может вызвать преждевременное разрушение.

 

3. При проектировании конструкций фермы необходимо стремиться к тому, чтобы длинные раскосы работали на растяжение, а короткие стержни-стойки – на сжатие

 

4. Для уменьшения массы при проектировании конструкции надо стремиться к ее равнопрочности

 

 

При достижении силы Р значения Рразрдолжны одновременно срезаться все болты, разрываться кронштейн по сечениям А-А и Б-Б. Это достигается выбором болта по Рразр. с(dболта → Рсрез) и проушины кронштейна из расчета на прочность по Рразрматериала конструкции кронштейна (σразр=σв).

Кронштейн → Рразр (сдвиг, отрыв), материал → Ротрыв, σразр= =σв

 

 

5. При проектировании конструкции необходимо стремиться к равномерному предельному нагружению материала в сечении. При растяжении-сжатии сечение нагружается равномерно, при изгибе сечение элемента необходимо выполнять с максимальным удалением массы материала от нейтральной оси.

 

6. Необходимо стремиться к тому, чтобы все детали были работающими, чтобы, по возможности, каждая деталь выполняла как можно больше функций. Силовой шпангоут фюзеляжа нагруженный изгибом от кручения и сдвигом от Q–поперечной силы а так же дополнительно усилиями в узлах навески крыла, шасси.

 

7. Необходимо всегда четко представлять способ изготовления конструкции, стремясь к использованию наиболее технологичных методов, а именно:

- применение простейших деталей;

-назначение минимальной чистоты обработки, необходимую для функционирования конструкции;

- уменьшение числа деталей;

- отказ от чрезмерной точности там, где это не требуется по условиям работы конструкции.

Это значительно снизит стоимость производства.

 

 

Выбор материалов в конструкции.

 

При создании новых конструкций одним из определяющих факторов, влияющих на ее совершенство, является правильный выбор материалов под условия работы и эксплуатации.

При выборе материала надо учитывать:

- стоимость

- возможность применения в технологических процессах для изготовления деталей с учетом конфигурации и размеров

- степень освоения технологических процессов для данного материала

- возможность использования материала в сложных условиях эксплуатации (цикличность нагружения, высокая температура и т д)

- удельные прочностные и жесткостные характеристики

- усталостные характеристики материала, которые определяются скоростью наступления и распространения разрушения.

 

Удельные прочностные и жесткостные характеристики

Разные материалы по-разному работают на различные виды деформации (растяжение, сжатие, сдвиг). Критерием, оценивающим способность того или иного материала работать на данный вид нагружения, является коэффициент удельной прочности.

 

Схема нагружения / Наименование	P P	P     P	P	P
Вид нагружения	Растяжение/ сжатие	Продольный изгиб	Поперечный изгиб	Сдвиг
Удельная прочность γ

 

- предел прочности материала

- модуль упругости

- предел прочности при сдвиге

=0,65

 

 

Рассмотрим элемент конструкции, работающий на растяжение/сжати е

F_сеч

P P

 

L

 

 

Для создания конструкции минимальной массы необходимо выбрать материал с большими значениями удельной прочности (γ).

Необходимо учитывать, что при повышении температуры, коэффициент требует корректировки.

 

Усталостные характеристики материала, определяемые скоростью наступления и распространения разрушений (трещины)

Одним из важнейших фактором при выборе материалов является его сопротивление усталости, характеризуемое скоростью распространения и появления трещин.

 

Сопротивление усталости характеризуется кривой Велера, показывающей зависимость от числа циклов нагружения.

 

 

 

 

 

N [циклов]

Ni

 

- предел выносливости при изгибе с симметричным циклом нагружения идеального образца

N- число циклов нагружения

 

Предел выносливости при N_i необходимо учитывать при выборе материалов для конструкции, подвергающихся действиям циклических нагрузок.

 

При проектировании конструкций, работающих в условиях кинетического нагрева (полет на M>1) большее значение придается ползучести материала, характеризуемого следующими критериями:

– предел ползучести материала при высоких температурах вызывает деформации 0,2% за 100 часов.

Тогда

- предел ползучести материала при высокой температуре, вызывающей деформацию 0,2% за 100 часов.

 

Однако не всегда удается снизить массу конструкции при использовании оптимального материала.

Существуют ограничения:

1) Технологические ограничения по допускаемым толщинам (существующими сортами листов, профилей; допускаемым толщинам литых и штампованных деталей)

 

2) Не все элементы конструкции выбираются из условия прочности. Существует до 30% элементов конструкции малонагруженных (поперечный набор у концов крыла и оперения, детали оборудования и т.д.). С другой стороны материал конструкции существенно влияет на массу, технологичность и стоимость.