Киль легкого самолета

16

Курсовая работа по дисциплине:

Конструирование изделий из композиционных

материалов

Киль легкого самолета

Казань, 2008 г.

Содержание:

1. Назначение киля и требования к нему………………………………..………3

2. Техническое описание киля………………………………..………………….3

3. Конструктивно - силовая схема 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 к нему

К оперению самолета относятся горизонтальное и вертикальное оперение.

Горизонтальное оперение служит для обеспечения продольной, а вертикальное - путевой устойчивости и управляемости самолета.

К вертикальному оперению самолета предъявляются следующие основные требования:

- обеспечение путевой устойчивости и управляемости самолета на всех режимах полета, в том числе и на режимах, близких к ?кр (посадка, штопор);

- наименьшее лобовое сопротивление;

- возможно меньшее затенение оперения крылом, фюзеляжем, гондолами двигателей, а также одной части оперения другой;

- исключение возможности возникновения вибраций;

- простота монтажа и демонтажа оперения на самолете.

2. Техническое описание киля

Киль летательного аппарата - часть хвостового оперения самолёта, расположенная в вертикальной (или наклонной) плоскости и предназначенная для обеспечения путевой устойчивости.

Киль представляет собой консольную балку. К задней кромке киля на шарнирах крепится руль направления полёта.

В конструкцию киля входят два лонжерона. Первый располагается позади носка киля, а второй перед передней кромкой руля направления. Первый лонжерон необходим для крепления киля к хвостовой 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-силовая схема киля - двухлонжеронная.

Лонжероном воспринимаются изгибающий момент и перерезывающие силы. Пояса лонжерона берут осевые усилия от изгибающего момента, а стенки погонные касательные усилия от перерезывающей силы. Кроме этого в стенке лонжерона могут действовать погонные усилия от крутящего момента. Крутящий момент воспринимается только замкнутыми контурами.

Этот лонжерон целесообразно размещать в месте максимальной строительной высоты. Обычно это совпадает с местом положения оси вращения.

Лонжерон обычно представляет собой балку таврового или швеллерного типа. Стенка лонжерона изготовлена из трехслойного КМ (сотовый заполнитель). Причем несущие слои стенки выкладываются под углом ± 45?, так как они работают на сдвиг. А пояса лонжерона выклеиваем из лент стеклоткани Т - 10, практически однонаправлены. Пояс будет работать на сжатие и не извернется, т.к. одну кромку будет держать стенка лонжерона, а другая кромка упирается в трехслойную обшивку и не выпадает оттуда. Несущие слои тоже укладываются под углом ± 45?, это делается для того, что бы повысить жесткость агрегата (деформация в 3 раза меньше). Обшивку в носике целесообразно сделать однослойной, т.к. большая кривизна, нагрузку выдержит, а вся обшивка будет трехслойная.

Рис. 1.

4. Нормирование нагрузок

Исходные данные:Самолет имеет двухкилевое ВО установленное симметрично относительно плоскости хорд крыла.Рис. 2.Общая площадь вертикального оперения:Площадь одного вертикального оперения.Площадь крыла .Вес самолета .Максимально допустимая скорость полета .Максимально допустимый скоростной напор .f = 1,5; nЭmax = 4.Во всех случаях нагружения распределение нагрузок по размаху оперения принимается пропорционально хордам, а нагрузки параллельные хордам, из-за малой величины не учитываются.Расчетный случай: маневренная нагрузка. Нагрузка вертикального оперения, возникающая при маневре в горизонтальной плоскости, мо-жет быть определена по формулегде SB.0. - площадь вертикального оперения., Н.В соответствии с АП23 п.23.445 «Разнесенное (двухкилевое) вертикальное оперение» 65% вычисленной нагрузки приходиться на один киль., Н.Удельная нагрузка на вертикальное оперение (нагрузка на единицу площади) равна:, Н.В соответствии с "Нормами прочности спортивных планеров" эксплуатационная удельная нагрузка меньше 800н/м2 не берется. Расчетная удельная нагрузка прикладывается «к части ВО, находящейся выше горизонтального, а 80% этой нагрузки - к части находящейся ниже».Расчетная удельная нагрузка прикладывается «к части ВО, находящейся ниже горизонтального, а 80% этой нагрузки - к части находящейся выше».Нагрузка ки-ля рассчитывается пропорционально 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 по хорде вертикального оперения в случае маневренной нагрузки и остановки двигателей произво-дится так, как показано на рисунке:Рис. 3.5. Проектировочные расчеты I. Построение эпюрКиль представляет собой консольную балку. Расчетная схема киля - за-щемленная балка, нагруженная распределенной нагрузкой q и реакци-ями от руля Rt, приложенными в узлах его навески. За ось z прини-маем ось жесткости. В проектировочном расчете делаем допущение, что перерезывающая сила воспринимается стенками лонжеронов, рас-пределяясь между ними пропорционально квадратам их высот, а крутя-щий момент воспринимается замкнутым контуром, образованным обшив-кой и стенкой заднего лонжерона.Для киля центр давления Рис. 4. Определение изгибающих моментов и перерезывающих сил киля.Рис. 5., Н/мРасчет ведем с концов киля. Для левого участка (рис. 5.) имеем: Для правого участка (рис. 5.) имеем: Рис. 6. Определение крутящих моментов киля.Расчет ведем с концов киля.Погонный крутящий момент Для левого участка (рис. 5.):Для правого участка (рис. 5.): Рис. 7.II. Проектировочный расчет на прочностьРасчет лонжерона.Площадь поясов лонжеронов определяют по их изгибающим моментам. В проектировочном расчете изгибающий момент распределяем между лонжеронами, как и перерезывающую силу пропорционально квадратам их высот:; Максимальные изгибающие моменты по расчетному случаю маневренная нагрузка Н*м, Н*м.В зоне максимального изгибающего момента в лонжероне имеем расстояние между ц.т. полок лонжерона 51мм. В двух-трех наиболее нагруженных сечениях определяем площа-ди поясов лонжерона, толщину его стенки и толщину обшивки. Площадь сечения поясов лонжерона (рис. 8.) опре-деляется по формулегде М - изгибающий момент; Нр - расстояние между центрами тяжести сечений поясов; разр - разрушающее напряжение.Принимаем для стеклоткани Т-10 допустимые напряжения .Тогда площадь сечения равна:.Усилие в полке равно:, Н.Рис. 8.По технологическим соображениям минимальный размер полки лонжерона (2 слоя стеклоткани шириной 10мм) равен , это почти в два раза превосходит требуемое значение.Расчетное напряжение в полке лонжерона равно:.Критическое напряжение местной потери устойчивости при сжатии равно:.Расчетное напряжение не превосходит критических значений, следовательно, прочность обеспечивается.Толщина стенки лонжерона определяется по формулегде Q - перерезывающая сила; Н - высота лонжерона; ?разр - разру-шающее касательное напряжение. Максимальная перерезывающая сила равна:Тогда толщина стенки лонжерона будетРасчетное напряжение в стенке (2 слоя стеклоткани) равно:Предполагая, что трехслойная стенка работает без потери устойчивости, допустимые напряжения сдвига равны . Расчетное напряжение сдвига не превосходит допустимых напряжений, следовательно, прочность обеспечивается.Максимальный крутящий момент, соответствующий случаю маневренной нагрузки:В проектировочном расчете считаем, что крутящий момент воспринимается обшивкой и стенкой заднего лонжерона. Тогда погонное сдвигающее усилие от кручения будет равногде Мкр - крутящий момент; ? - площадь замкнутого контура.По величине qкp определяем толщину обшивки, тогда ? = 0,3 мм - толщина обшивки работающей на кручение Толщина обшивки определяется из условия восприятия ею крутя-щего момента. При этом делается допущение, что крутящий момент воспринимается внешним замкну-тым контуром, образованным об-шивкой. Напряжения определяются по формуле Бредта:Здесь ? - площадь контура работающего на кручение = 9333 мм2; ? - толщина обшивки работающей на кручение = 0,3 мм (2слоя ткани СВМ).Предполагая, что трехслойная стенка работает без потери устойчивости, допустимые напряжения сдвига равны . Расчетное напряжение сдвига обшивки не превосходит допустимых напряжений, следовательно, прочность обеспечивается.Список используемой литературы 1. Авиационные правила: часть 23 Нормы летной годности гражданских 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. 702 с.