Расчет на прочность оперения самолета

Министерство  образования РФ 
 
 
 
 
 

Доклад 
 

Расчет  на прочность оперения самолета. 
 
 
 
 
 

     Выполнил студент 

     Лапшин  Д.В.  
 

Жуковский, 2010г. 
Оперение самолёта

     Оперением самолёта называются несущие поверхности, предназначенные для обеспечения продольной и путевой балансировки, устойчивости и управляемости самолёта.

Оперение

     Горизонтальное        Вертикальное

  продольная балансировка, устойчивость     путевая балансировка, устойчивость

и управляемость                                              и управляемость

  состоит из неподвижного или                         состоит из неподвижного киля и

ограниченно подвижного                                 подвижного руля направления

стабилизатора и подвижного

руля высоты  

К оперению самолёта предъявляются  следующие требования:

1. Обеспечение продольной и путевой устойчивости и управляемости самолёта на всех возможных режимах полёта, в том числе на режимах полёта после непроизвольного превышения критических значений углов атаки, сваливания и попадания самолёта в режим пикирования после сваливания или штопора.
2. Наименьшее лобовое сопротивление.
3. Малые шарнирные моменты рулей.
4. Возможно меньшее затенение оперения крылом, фюзеляжем, гондолами двигателей, а так же одной части оперения другой.
5. Более позднее, чем на крыле, возникновение волнового кризиса, что обеспечивает меньшее нарушение характеристик устойчивости и управляемости при полёте на околозвуковых скоростях.
6. Исключение возможности возникновения вибраций.
7. Простота монтажа и демонтажа оперения на самолёте.
8. Простота установки рулей с обеспечением взаимозаменяемости.

 
 

Различают 4 схемы оперения:

1) с центральным  вертикальным оперением (а);

2) с разнесённым  вертикальным оперением, закреплённым  на фюзеляже (б);

3) с разнесённым вертикальным  оперением, закреплённым на концах  горизонтального оперения (в);

4) V-образное оперение (г). 
 
 

Нагрузки, действующие на оперение

   В полете на оперение и действуют  аэродинамические и массовые силы, величина и распределение которых по размаху и хорде оперения зависят от режима полета.

• Массовые силы сравнительно невелики, и в расчетах прочности оперения ими можно пренебречь.
• Аэродинамические нагрузки на оперение определяются в соответствии с расчетными случаями норм прочности.

 

Нагрузки  на горизонтальное оперение

• Уравновешивающие нагрузки
• Маневренные нагрузки
• Нагрузки при полете в турбулентной (неспокойной) атмосфере

Уравновешивающие  нагрузки 

• Уравновешивающие  нагрузки необходимы для балансировки самолета на заданном режиме полета
• Определяются из условия равенства моментов относительно оси Oz самолета с горизонтальным оперением и без него, т.е. из условия

 

• Эксплуатационная нагрузка на ГО

где     - коэффициент продольного момента, определяемый для расчетного случая по продувкам       модели самолета без ГО при наиболее неблагоприятной центровке;

         - площадь ГО;     - величина средней аэродинамической хорды крыла;

  - скоростной напор;        - плечо горизонтального оперения 
 

Маневренная нагрузка

• Возникает при отклонении рулей высоты
• Неуравновешенна и пропорциональна величине скоростного напора q и площади горизонтального оперения S
• Два случая нагружения:

1. Уравновешивающая нагрузка велика

         где          - приращение нагрузки вследствие маневра (изменения

        режима полета), причем

   - максимальная перегрузка для рассматриваемого маневра;

            - коэффициент, учитывающий  особенности маневра.

2. Уравновешивающая нагрузка мала по сравнению с маневренной нагрузкой и ею можно пренебречь

                                                 , причем

                                                

Нагрузка при  полете в неспокойном  воздухе

                                     где     – приращение нагрузки при порыве ветра.

Обычно                      где              - скорость потока, набегающего на горизонтальное оперение.

Нагрузки  на вертикальное оперение

• Уравновешивающая (демпфирующая) нагрузка
• Обусловлена равновесием моментов рыскания (относительно оси Oy) самолета с вертикальным и без вертикального оперения.
• Определяется аналогично уравновешивающей нагрузке горизонтального оперения
• Маневренная нагрузка
•        где       - коэффициент, учитывающий особенности маневра и определяемый по нормам прочности,           - полная площадь вертикального оперения.
• Асимметричная нагрузка
• Возникает при односторонней остановке двигателя, расположенного на крыле.

Примерные схемы нагружения горизонтального  и вертикального  оперений 

     Стабилизатор  обычно представляет собой двухопорную  балку, нагруженную распределенными  аэродинамическими силами и реакциями  опор в узлах подвески руля высоты.

     Киль  – консольная балка, защемленная  в фюзеляже и нагруженная аналогично стабилизатору распределенными  аэродинамическими силами и реакциями  опор в узлах подвески руля направления. 
 

Эпюры для Q и M_изг горизонтального оперения

     

     Для расчета на прочность элементов  конструкции оперения необходимо построить  эпюры поперечных сил Q и изгибающих М_изг и крутящих моментов M_кр.  
 

Кручение  руля

      Погонный крутящий момент относительно оси вращения руля

   где q – погонная нагрузка;

r – расстояние между осью вращения и линией центра давления в данном сечении.

     Момент  силы в тяге управления

     где S и h – сила, создаваемая движением рычага управления, и ее плечо.

     При построении эпюры крутящих моментов по рулю высоты вычисляется погонный крутящий момент относительно оси вращения элерона. Нагружение элементов конструкции руля высоты при кручении следует рассматривать при условии защемления их в сечении, к которому подходит рычаг управления. В этом сечении крутящий момент будет наибольшим. Суммарный момент всех нагрузок относительно оси вращения руля называется шарнирным моментом; этот момент уравновешивается моментом силы в тяге управления.  
 

Эпюры М_кр на стабилизаторе 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Эпюры давлений на поверхности  ГО при различных  числах М 

1. при дозвуковой скорости полета;
2. при сверхзвуковой скорости полета.

     На  дозвуковых скоростях полета отклонение руля высоты приводит к появлению  дополнительной силы на горизонтальном оперении не только за счет самого руля, но и в результате перераспределения  давления на стабилизаторе.

     При полете на сверхзвуковых скоростях  эффективность руля высоты снижается. Это объясняется тем, что изменения  давления, вызываемые отклонением руля, не выходят за область скачка уплотнения и, таким образом, не достигают стабилизатора.

     Следствием этого является то, что отклонение руля высоты не оказывает влияния на величину и характер распределения давления по стабилизатору. Поэтому на самолетах, имеющих сверхзвуковую скорость полета, нашло применение цельноповоротное горизонтальное оперение.      Переход к цельноповоротному горизонтальному оперению позволил повысить его эффективность на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета, особенно на больших высотах.  

     Цельноповоротное  ГО

 
 

Имея эпюру  расчетных погонных нагрузок q и рассматривая оперение как балку с опорами в точках C и D, находим реакции опор Rc и Rd.

Далее строим эпюры Q и M_изг наложением соответствующих эпюр от воздушной нагрузки и от опорных реакций. Ось рассматриваем как балку, опирающуюся в узлах А и В и нагруженную силами, равными и противоположными реакциям Rc и Rd.

Цельноповоротное  оперение может крепиться на оси  жестко. В этом случае ось вместе с оперением поворачивается в  подшипниках, установленных в фюзеляже.

     При жестком креплении оперения на оси  все нагрузки с него на ось передаются через болты, соединяющие оперение с осью. Изгибающий и крутящий моменты передаются вертикальными болтами, работающими при этом на срез. Поперечная сила со стенок через силовые нервюры передается на ось горизонтальным болтом. Эпюры М_кр для цельноповоротного оперения строятся так же, как для руля высоты. 

Расчет оперения с трехшарнирной подвеской руля

1 – линия центров давления стабилизирующей поверхности;

2 – линия центров давления руля;

3 – ось вращения руля.  
 

Положим, что  руль подвешен к стабилизирующей  поверхности на трех кронштейнах. Однако приемы расчета, изложенные ниже, являются общими и могут быть применимы  при любом числе опорных кронштейнов.

     Считаем, что нагрузка оперения, распределение ее по размаху и по хорде нами найдены. Известны, следовательно, погонные нагрузки и линии центров давления стабилизирующей поверхности и руля.

     Положим сначала, что стабилизирующая поверхность и руль абсолютно жестки на кручение. В этом случае расчетную схему сооружения можно условно представить как показано на рисунке. Руль, как балка, загружен погонной нагрузкой tp. Он имеет три точки опоры (1,2,3), которые перемещаются в вертикальной плоскости при прогибе стабилизирующей поверхности. Перемещения шарниров будут, очевидно, зависеть от величины реакций в опорах руля, от нагружения стабилизирующей поверхности и жесткостей на изгиб обеих балок. Наконец, эти перемещения зависят также от характеристики упругой заделки оперения на фюзеляже (на рисунки она условно изображена в виде пружины).

     Процедура определения реакции в этой статистически неопределимой задаче (здесь имеются в виду три опоры) является сложной, особенно если принять во внимание, что обе балки имеют обычно переменную по длине жесткость.