книги из ГПНТБ / Конструкция летательных аппаратов учеб. пособие для студентов инженер.-экон. фак

также, что порывы могут быть и нисходящими, получим

//„ = 1 + 0 , b ~ y-?W V ~ -

— do. О

В реальной атмосфере скорость порыва возрастает посте­ пенно па некотором участке h, что приводит к уменьшению эффективной скорости воздушного порыва и перегрузки пу.

Это обстоятельство можно учесть поправочным коэффициен­ том к <С 1. В общем случае формула перегрузки при полете в неспокойном воздухе принимает вид:

Величина коэффициента к зависит от градиента нараста­ ния скорости порыва Wjh и от аэродинамических, инерцион­ ных, упругих характеристик самолета и высоты полета.

При заданной скорости и высоте полета самолета пере­ грузка при полете в неспокойном воздухе зависит от удельной нагрузки на крыло (p = G /'S ), аэродинамических (dcy‘da), инерционных и упругих характеристик самолета к и величины скорости порыва (W).

Для пассажирских самолетов максимальные перегрузки при полете в неспокойном воздухе достигают 2,5—3,5. Снижая скорость полета, летчик может уменьшить перегрузки при воздействии сильных порывов.

§ 3. НОРМЫ ПРОЧНОСТИ И ЖЕСТКОСТИ.

СЛУЧАИ НАГРУЖЕНИЯ

Одним из факторов, определяющих экономические показатели_самолета, является относительный вес пустого само­

лета £?ПуСТ Gnycr/G.

32

Основную часть веса пустого самолета составляет вес кон­ струкции, поэтому важнейшей задачей конструирования и изготовления самолета является всемерное уменьшение веса конструкции.

Для обеспечения надежности эксплуатации самолета его конструкция должна быть достаточно прочной и жесткой при действии на нее нагрузок, встречающихся в эксплуатации.

Надежность эксплуатации в данном случае — это свойст­ во самолета выполнять заданные в ЭТТ функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели (производительность, рен­ табельность и др.) в заданных пределах в течение требуемого срока службы. Надежность, в частности, обуславливается долговечностью конструкции самолета.

Прочность — способность конструкции воспринимать дей­ ствующие па нее силы без разрушения.

Жесткость — способность конструкции воспринимать силы при ограниченной деформации.

Учитывая, что вес конструкции существенно влияет на экономичность самолета, прочность и жесткость должны обес­ печиваться в течение всего срока службы конструкции само­ лета при минимальных затратах веса на ее создание.

Требования прочности и жесткости, с одной стороны, и ми­ нимума веса конструкции, с другой — являются противоречи­ выми.

1. Нормы прочности

Силы (нагрузки), приложенные к самолету и его частям в любой произвольный момент времени, называются действую­ щими силами (нагрузками).

На различных этапах полета действующие нагрузки могут, изменяться в широких пределах в зависимости от назначения и летных данных самолета, метеоусловий, действий летчика, вероятных технических неполадок (отказ двигателя и др.).

Из этого множества возможных нагрузок требуется выде­ лить те нагрузки, которые определяют прочность конструк­ ции самолета. Для этого служат нормы прочности. «Нормы прочности» представляют собой документ, содержащий свод обязательных требований к прочности, жесткости и долговеч­ ности конструкции, а также методику определения основных исходных величин для прочностных расчетов. Требования и указания «Норм прочности» необходимо соблюдать при рас­ чете и испытаниях летательного аппарата на прочность.

Нормы прочности обобщают результаты теоретических и лабораторных исследовании, летных испытании, опыт эксплуа­ тации п, тем самым, отражают определенный уровень развития авиации. По мерс накоплении новых данных нормы прочности пересматриваются н обновляются.

По условиям эксплуатации самолеты всех типов п назначе­ ния нормами прочности разделяются па три класса:

класс .4 — маневренные:

класс В — ограниченно м-нневреппие; класс В — пеманевренпые.

Вес транспортные самолеты (пассажирские и грузовые) относятся к классу пеманеврепных.

2. Случаи нагружения

Для расчета самолета п его частей на прочность нормы прочности определяют положение самолета в воздухе п на земле, которые могут встретиться при его эксплуатации п создать наибольшие нагрузки па отдельные части конструкции самолета.

Эти. наиболее опасные положения (условия), называются расчетными случаями нагружения. Расчетные случаи нагру­ жения призваны обеспечить прочность самолета при воздейст­ вии комбинаций нагрузок, вероятных в эксплуатации и наи­ более опасных для прочности его частей.

Рассмотренный выше полет в неспокойном воздухе яв­ ляется одним пз расчетных случаев для транспортных само­

Для каждого расчетного случая нормы прочности указы­ вают способ) определения нагрузок (или перегрузок), дейст­ вующих па самолет п его части, а также их направление и распределение.

При этом используются следующие характеристики нагру­ жения.

Эксплуатационная перегрузка /В или эксплуатационная нагрузка Р3 —: это наибольшая вероятная в эксплуатации величина перегрузки млн нагрузки для данного случая нагру­ жения.

.34

вующие напряжения будут в определенном соотношении с ха­ рактеристиками прочности материала (детали). Эти соотноше­ ния и называются условиями прочности.

Нормы прочности требуют, чтобы для каждого случая на­ гружения выполнялись следующие условия:

1. При действии эксплуатационной нагрузки Рэ напряже­ ния в наиболее нагруженных точках конструкции ие должны превышать допускаемые.

Условие прочности имеет вид:

зЛ0П, Тдоп — наибольшие напряжения в материале конструк­ ции, допускаемые по условию достижения в иен предельных деформацгiй.

Предельные деформации конструкции ограничиваются тре­ бованиями к ее жесткости.

2. При действии расчетной разрушающей нагрузки Р р максимальные напряжения не должны превышать разрушаю­ щих.

связаны со скоростью и высотой полета. Следовательно, для каждого типа самолета режимы полета (высоты и скорости) должны быть определены так, чтобы в эксплуатации предель­ ные характеристики не могли быть превышены.

Если режимы полета не ограничивать, то прочность само­ лета должна быть обеспечена до больших значении ^та).э, дтах, ^тахтах и т. п ., что приведет к утяжелению конструкции И- к ухудшению ее экономических характеристик.

Таким образом, целью летных ограничений является соз­ дание конструкции минимального веса при условии обеспе­ чения ЭТТ.

36

/ Д - у ^ о

а V.

2 . Ограничение скорости по скоростному напору.

При определении внешних нагрузок для пассажирского са­ молета рассматриваются следующие скорости полета:

Птах — скорость, которую летчик не должен превышать ни в горизонтальном полете, ни при планирова­ нии; определяет максимальный скоростной на­

пор ?тлх!

)'тлх шах — скорость, которую летчик не должен превышать даже на режиме экстренного снижения; опреде­ ляет предельный (сверхмаксимальный) скорост­

37

вается дополнительное ограничение скорости \'г„|,ед -/• из усло­

вия допустимого кинетического нагрева конструкции — но до­ пустимой температуре нагрева конструкции Г„рсд.

Величина допустимой температуры нагрева конструкцион­ ного материала учитывает падение его прочностных характе­ ристик при повышенных температурах ТоЛш= 273° + ?npeRr

где Тпрел — предельная температура применения материала в градусах Цельсия.

На рис. 2.4 приведены летные ограничения но условиям прочности. Высота, выше которой пет ограничений максималь­ ной скорости полета, называется высотой ограничения и обо­ значается /70Гр.

§5. РЕСУРС КОНСТРУКЦИИ САМОЛЕТА

I.Изменение состояния конструкции самолета

вусловиях эксплуатации

Состояние конструкции самолета, ее прочностные характе­ ристики изменяются с течением времени. Эти изменения, з основном, протекают во время летной эксплуатации, а также при стоянке и в период хранения.

Опыт эксплуатации самолетов показал, что обеспечение прочности конструкции с учетом действия только статических нагрузок Рр не гарантирует отсутствия разрушений в течение любого срока работы конструкции. Выдерживая однократное приложение нагрузки большой величины, элементы конструк­ ции разрушаются при многократном приложении нагрузок значительно меньшей величины.

38

Основным фактором, вызывающим изменение состояния

•конструкции, является многократное повторение действия на­ грузок — повторно-статических, вибрационных п акустиче­ ских.

Явление разрушения материалов и элементов конструкции под воздействием переменных нагрузок (повторно-статиче­ ских, динамических) получило название усталости, а само разрушение — усталостного разрушения.

Многократное повторное действие нагрузки приводит (по­ мимо усталостных повреждений) к износу подвижных соеди­ нении, ослаблению заклепочных и болтовых соединений и появлению люфтов.

Впервые с проблемой обеспечения прочности конструкции при многократном воздействии повторных нагрузок (уста­ лостная прочность) в авиации столкнулись в 1945 г. после ка­ тастрофы гражданского самолета «Стинсон» в Австралии, ко­ торая произошла из-за усталостного разрушения сварного соединения лонжерона отъемной части крыла.

Другими факторами, влияющими на состояние конструк­ ции а ускоряющими усталостное разрушение, являются фиш­ ко-химическое и термическое воздействие среды.

2 . Основные сведения об усталостной прочности конструкции

Стандартные испытания на усталость состоят в нагруже­ ния образцов периодически меняющейся во времени нагруз­ кой. При этом каждый цикл изменения напряжений в образце а (т) может быть охарактеризован парой параметров, напри­ мер,

папряжения цикла,оП1 — среднее напряжение цикла, ста — амилигуда цикла.

Результаты испытаний представляют графически в виде кривых выносливости (рис. 2.5,6), где N — разрушающее чис­ ло циклов повторной нагрузки, — предел выносливости — наибольшее напряжение цикла, которое образец может вы­ держать при сколь угодно большом числе циклов (практиче­

39

ски принимается, что это имеет место, если образец выдержи­ вает без разрушения ЛС> Ю7 циклов). Так как авиационные конструкции, в которых стремятся получить малый вес, рабо­ тают в области напряжении больших, чем предел выносливо­ сти, то срок их службы заведомо ограничен.

Выносливость конструкции, т. е. способность конструкции выдерживать многократное повторное воздействие нагрузки без разрушения, зависит от свойств материала конструкции, ее конструктивных особенностей и режима нагружения.

Рис. 2.5. Испытании . . выносливость: а) изменение напряжений в образце; б) кривые выносливости.

Даже при самых тщательных испытаниях числа Л/ имеют разброс, являющийся следствием вероятностной природы усталостного разрушения. Кривая выносливости соответствует осредненным точкам, полученным опытным путем. Кривая вы­ носливости показывает, сколько циклов N повторного нагру­ жения образец или конструкция может выдержать без разру­ шения (с вероятностью р = 0,5).

40

На рис. 2.5,6 построена кривая, соответствующая началу появления усталостных трещин (с вероятностью р = 0,5), и зона разброса экспериментальных точек.

Если конструкция в процессе нагружения испытывает на­ пряжение^, то на основании рис. 2,5,6 можно заключить:

а) средняя наработка образцов конструкций до разруше­ ния составит Л/р циклов, а до появления усталостной трещи­ ны -- /V,, циклов, при этом

б) наработка образцов конструкций до появления уста­ лостной трещины в наиболее слабом по выносливости образце

составит не более /V,, mjn циклов (ЛЛ„ min<I A^„);

в) наработка образцов конструкций до разрушения сла­ бого по выносливости образна нс превышает Npmjn (Л/„<С

min “CiVp) .

3. Основы обеспечения высокой долговечности авиационных конструкций

Долговечность* — это свойство изделия сохранить работо­ способность до предельного состояния с необходимыми пере­ рывами для технического обслуживания и ремонтов. «Пре­ дельное состояние» изделия оговаривается в технической до­ кументации.

Мерой долговечности могут служить, например, «ресурс», «срок службы». Ресурсом называется наработка изделия до предельного состояния, выраженная, например, в числе часов налета, числе полетов или посадок.

•Сроком службы называется календарная продолжитель­ ность эксплуатации изделия до момента возникновения пре­ дельного состояния или до списания. Ресурс и срок службы являются случайными величинами.

В практике эксплуатации авиационных предприятий боль­ шинство агрегатов и конструкций снимается с эксплуатации после определенной наработки (в часах или посадках) неза­ висимо от их фактического технического состояния. Такая на­ работка. при достижении которой прекращается эксплуатация изделия независимо от его состояния, называется «назиачен-

■ Надежность в технике. Термины. ГОСТ 13377-67. Падание официаль­ ное. Госкомитет стандартов СМ СССР, М„ 1971.

41