Курсовая работапо дисциплине:
Конструированиеизделий из композиционных
материалов
Кильлегкого самолета
Казань, 2008 г.
Содержание:
1. Назначение киля и требования к нему………………………………..………3
2. Техническое описание киля………………………………..………………….3
3.Конструктивно – силоваясхема киля…………………………………….…..3
4.Нормирование нагрузок………………………………………….……………5
5.Проектировочные расчеты………………………………………………….....7
I. Построение эпюр……………………………………………………..…………7
II. Проектировочный расчет на прочность……………………………………10
Список используемой литературы……...……………………..……………….13
1. Назначение киля и требования кнему
К оперению самолетаотносятся горизонтальное и вертикальное оперение.
Горизонтальное оперениеслужит для обеспечения продольной, а вертикальное – путевой устойчивости иуправляемости самолета.
К вертикальному оперениюсамолета предъявляются следующие основные требования:
— обеспечение путевойустойчивости и управляемости самолета на всех режимах полета, в том числе и нарежимах, близких к αкр (посадка, штопор);
— наименьшее лобовоесопротивление;
— возможно меньшеезатенение оперения крылом, фюзеляжем, гондолами двигателей, а также одной частиоперения другой;
— исключение возможностивозникновения вибраций;
— простота монтажа идемонтажа оперения на самолете.
2. Техническое описание киля
Киль летательногоаппарата – часть хвостового оперения самолёта, расположенная в вертикальной(или наклонной) плоскости и предназначенная для обеспечения путевойустойчивости.
Киль представляет собойконсольную балку. К задней кромке киля на шарнирах крепится руль направленияполёта.
В конструкцию киля входятдва лонжерона. Первый располагается позади носка киля, а второй перед переднейкромкой руля направления. Первый лонжерон необходим для крепления киля кхвостовой части фюзеляжа, обычно здесь используются шарнирные узлы крепления,которые устанавливаются на поясах лонжеронов.
На заднем (втором)лонжероне расположены узлы навески руля направления.
3. Конструктивно – силовая схема киля
Конструктивно-силоваясхема киля – двухлонжеронная.
Лонжероном воспринимаютсяизгибающий момент и перерезывающие силы. Пояса лонжерона берут осевые усилия отизгибающего момента, а стенки погонные касательные усилия от перерезывающейсилы. Кроме этого в стенке лонжерона могут действовать погонные усилия от крутящегомомента. Крутящий момент воспринимается только замкнутыми контурами.
Этот лонжеронцелесообразно размещать в месте максимальной строительной высоты. Обычно этосовпадает с местом положения оси вращения.
Лонжерон обычнопредставляет собой балку таврового или швеллерного типа. Стенка лонжеронаизготовлена из трехслойного КМ (сотовый заполнитель). Причем несущие слоистенки выкладываются под углом ± 45˚, так как они работают на сдвиг. А поясалонжерона выклеиваем из лент стеклоткани Т – 10, практически однонаправлены. Поясбудет работать на сжатие и не извернется, т.к. одну кромку будет держать стенкалонжерона, а другая кромка упирается в трехслойную обшивку и не выпадаетоттуда. Несущие слои тоже укладываются под углом ± 45˚, это делается длятого, что бы повысить жесткость агрегата (деформация в 3 раза меньше). Обшивкув носике целесообразно сделать однослойной, т.к. большая кривизна, нагрузкувыдержит, а вся обшивка будет трехслойная.
/>
/>
Рис. 1.
4. Нормирование нагрузокИсходные данные:
Самолет имеет двухкилевоеВО установленное симметрично относительно плоскости хорд крыла.
/>
Рис. 2.
Общаяплощадь вертикального оперения:
/>
Площадь одного вертикального оперения
/>.
Площадь крыла
/>.
Вес самолета
/>.
Максимально допустимаяскорость полета
/>.
Максимально допустимыйскоростной напор
/>.
f = 1,5; nЭmax = 4.
Во всех случаяхнагружения распределение нагрузок по размаху оперения принимаетсяпропорционально хордам, а нагрузки параллельные хордам, из-за малой величиныне учитываются.
Расчетный случай: маневреннаянагрузка.
Нагрузка вертикальногооперения, возникающая при маневре в горизонтальной плоскости, может быть определенапо формуле
/>
где SB.0. — площадь вертикального оперения.
/>, Н.
В соответствии с АП23п.23.445 «Разнесенное (двухкилевое) вертикальное оперение» 65% вычисленнойнагрузки приходиться на один киль.
/>, Н.
Удельная нагрузка навертикальное оперение (нагрузка на единицу площади) равна:
/>, Н.
В соответствии с«Нормами прочности спортивных планеров» эксплуатационная удельнаянагрузка меньше 800н/м2 не берется.
Расчетная удельнаянагрузка прикладывается «к части ВО, находящейся выше горизонтального, а 80%этой нагрузки - к части находящейся ниже».
Расчетная удельнаянагрузка прикладывается «к части ВО, находящейся ниже горизонтального, а 80%этой нагрузки - к части находящейся выше».
Нагрузка киля рассчитываетсяпропорционально его площади:
/>, Н,
где /> — площадь киля.
/>, Н.
Нагрузка по размаху (высоте)киля распределяется пропорционально его хорде:
/>, Н,
где bк – хорда киля в сечении, тогда
/>, Н.
Распределение нагрузки похорде вертикального оперения в случае маневренной нагрузки и остановкидвигателей производится так, как показано на рисунке:
/>
Рис. 3.
5. Проектировочныерасчеты
I. Построение эпюр
Киль представляет собойконсольную балку. Расчетная схема киля – защемленная балка, нагруженнаяраспределенной нагрузкойq и реакциями от руля Rt, приложенными в узлах егонавески. За ось z принимаем ось жесткости. В проектировочном расчете делаемдопущение, что перерезывающая сила воспринимается стенками лонжеронов, распределяясьмежду ними пропорционально квадратам их высот, а крутящий момент воспринимаетсязамкнутым контуром, образованным обшивкой и стенкой заднего лонжерона.
Для киля центр давления />
/>
Рис. 4.
Определение изгибающих моментов иперерезывающих сил киля.
/>
Рис. 5.
/>, Н/м
Расчет ведем с концов киля. Длялевого участка (рис. 5.) имеем:
/>
Для правого участка (рис. 5.) имеем:
/>
zр м. 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,65 0,65 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 z м. 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,65 0,65 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 Q н. 91 137 189 248 314 386 465 506 -398 -365 -302 -244 -192 -145 -103 -66
Mи н*м. 11 28 49 77 112 155 179 139 120 87 59 37 21 8
/>
Рис. 6.
Определение крутящих моментов киля.
Расчет ведем с концов киля.
Погонный крутящий момент
/>
Для левого участка (рис. 5.):
/>
Для правого участка (рис. 5.):
/>
zр м. 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,65 0,65 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 z м. 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,65 0,65 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 b м 0,30 0,35 0,39 0,44 0,48 0,53 0,58 0,60 0,60 0,58 0,53 0,48 0,44 0,39 0,35 0,30 q н*м. 426 492 557 623 689 754 820 853 682 656 603 551 498 446 394 341
хц.д. м 0,15 0,17 0,20 0,22 0,24 0,27 0,29 0,30 0,30 0,29 0,27 0,24 0,22 0,20 0,17 0,15
xж м 0,17 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,33 0,32 0,29 0,27 0,24 0,22 0,19 0,2 m н 6,39 8,5 11 14 17 20 24 26 20,5 18,9 16 13,3 10,9 8,75 6,81 5,12
dМкр 0,00 0,7 0,97 1,23 1,52 1,84 2,18 1,23 0,98 1,75 1,47 1,21 0,98 0,78 0,60 0,00
Mкр(m) 0,00 0,75 1,72 2,95 4,46 6,30 8,48 9,71 7,77 6,79 5,04 3,57 2,36 1,37 0,60 0,00
Mкр(P) -16 -18 -20 -22 -23 -25 -27 -28 -20 -20 -18 -17 -16 -14 -13 -12
Mкр н*м -16 -17 -18 -19 -19 -19 -19 -18 -13 -13 -13 -13 -13 -13 -12 -12
/>
Рис. 7.
II. Проектировочный расчет на прочность
Расчет лонжерона.
Площадь поясов лонжероновопределяют по их изгибающим моментам. В проектировочном расчете изгибающий момент распределяем между лонжеронами, как и перерезывающую силупропорционально квадратам их высот:
/>; />
Максимальные изгибающие моменты порасчетному случаю маневренная нагрузка /> Н*м,/> Н*м.
В зоне максимального изгибающегомомента в лонжероне имеем расстояние между ц.т. полок лонжерона 51мм.
/>В двух-трех наиболее нагруженных сечениях определяемплощади поясов лонжерона, толщину его стенки и толщину обшивки. Площадьсечения поясов лонжерона (рис. 8.) определяется по формуле
/>
где М – изгибающиймомент;
Нр — расстояние между центрами тяжести сечений поясов;
sразр — разрушающее напряжение.
Принимаем для стеклотканиТ-10 допустимые напряжения
/>.
Тогда площадь сечения равна:
/>.
Усилие в полке равно:
/>, Н.
/>
Рис. 8.
По технологическим соображениямминимальный размер полки лонжерона (2 слоя стеклоткани шириной 10мм) равен />, это почти в два разапревосходит требуемое значение.
Расчетное напряжение в полкелонжерона равно:
/>.
Критическое напряжение местной потериустойчивости при сжатии равно:
/>.
Расчетное напряжение непревосходит критических значений, следовательно, прочность обеспечивается.
Толщина стенки лонжеронаопределяется по формуле
/>
где Q — перерезывающаясила;
Н — высоталонжерона;
τразр — разрушающее касательное напряжение.
Максимальная перерезывающаясила равна:
/>
Тогда толщина стенки лонжерона будет
/>
Расчетное напряжение в стенке (2 слоястеклоткани) равно:
/>
Предполагая, чтотрехслойная стенка работает без потери устойчивости, допустимые напряжениясдвига равны />. Расчетное напряжениесдвига не превосходит допустимых напряжений, следовательно, прочность обеспечивается.
Максимальный крутящиймомент, соответствующий случаю маневренной нагрузки:
/>
В проектировочном расчетесчитаем, что крутящий момент воспринимается обшивкой и стенкой заднеголонжерона. Тогда погонное сдвигающее усилие от кручения будет равно
/>
где Мкр — крутящий момент;
ω — площадь замкнутого контура.
По величине qкpопределяем толщину обшивки, тогда δ = 0,3 мм – толщина обшивки работающей на кручение
Толщина обшивкиопределяется из условия восприятия ею крутящего момента. При этом делаетсядопущение, что крутящий момент воспринимается внешним замкнутым контуром,образованным обшивкой.
Напряжения определяютсяпо формуле Бредта:
/>
Здесь ω – площадьконтура работающего на кручение = 9333 мм2;
δ – толщина обшивки работающей накручение = 0,3 мм (2слоя ткани СВМ).
/>
Предполагая, что трехслойная стенкаработает без потери устойчивости, допустимые напряжения сдвига равны />. Расчетное напряжениесдвига обшивки не превосходит допустимых напряжений, следовательно, прочностьобеспечивается.
Список используемой литературы
1. Авиационные правила: часть 23 Нормы летной годностигражданских легких самолетов. М.: Межгосударственный авиационный комитет, 1993.
2. Нормы прочности спортивных планеров. СибНИА, 1968.
3. Справочная книга по расчету самолета на прочность/М.Ф.Астахов, А.В.Караваев, С.Я.Макаров, Я.Я. Суздальцев. М.: Оборонгиз, 1954. 702с.