Рефетека.ру / Промышленность и пр-во

Курсовая работа: Киль легкого самолета

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 αкр (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.


Киль легкого самолета


Киль легкого самолета


Рис. 1.


4. Нормирование нагрузок


Исходные данные:

Самолет имеет двухкилевое ВО установленное симметрично относительно плоскости хорд крыла.


Киль легкого самолета


Рис. 2.


Общая площадь вертикального оперения:

Киль легкого самолета

Площадь одного вертикального оперения

Киль легкого самолета.

Площадь крыла

Киль легкого самолета.

Вес самолета

Киль легкого самолета.


Максимально допустимая скорость полета

Киль легкого самолета.

Максимально допустимый скоростной напор

Киль легкого самолета.

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, мо­жет быть определена по формуле

Киль легкого самолета

где SB.0. - площадь вертикального оперения.

Киль легкого самолета, Н.

В соответствии с АП23 п.23.445 «Разнесенное (двухкилевое) вертикальное оперение» 65% вычисленной нагрузки приходиться на один киль.

Киль легкого самолета, Н.

Удельная нагрузка на вертикальное оперение (нагрузка на единицу площади) равна:

Киль легкого самолета, 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 ки­ля рассчитывается пропорционально его площади:

Киль легкого самолета, Н,

где Киль легкого самолета- площадь киля.

Киль легкого самолета, Н.

Нагрузка по размаху (высоте) киля распределяется пропорционально его хорде:

Киль легкого самолета, Н,

где bк – хорда киля в сечении, тогда

Киль легкого самолета, Н.

Распределение нагрузки по хорде вертикального оперения в случае маневренной нагрузки и остановки двигателей произво­дится так, как показано на рисунке:

Киль легкого самолета


Рис. 3.

5. Проектировочные расчеты


I. Построение эпюр


Киль представляет собой консольную балку. Расчетная схема киля – за­щемленная балка, нагруженная распределенной нагрузкой q и реакци­ями от руля Rt, приложенными в узлах его навески. За ось z прини­маем ось жесткости. В проектировочном расчете делаем допущение, что перерезывающая сила воспринимается стенками лонжеронов, рас­пределяясь между ними пропорционально квадратам их высот, а крутя­щий момент воспринимается замкнутым контуром, образованным обшив­кой и стенкой заднего лонжерона.

Для киля центр давления Киль легкого самолета


Киль легкого самолета


Рис. 4.


Определение изгибающих моментов и перерезывающих сил киля.

Киль легкого самолета

Рис. 5.


Киль легкого самолета, Н/м


Расчет ведем с концов киля. Для левого участка (рис. 5.) имеем:

Киль легкого самолета

Для правого участка (рис. 5.) имеем:

Киль легкого самолета


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. 0 11 28 49 77 112 155 179 139 120 87 59 37 21 8 0

Киль легкого самолета


Рис. 6.

Определение крутящих моментов киля.


Расчет ведем с концов киля.

Погонный крутящий момент

Киль легкого самолета

Для левого участка (рис. 5.):

Киль легкого самолета

Для правого участка (рис. 5.):

Киль легкого самолета

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

Киль легкого самолета


Рис. 7.


II. Проектировочный расчет на прочность


Расчет 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:

Киль легкого самолета; Киль легкого самолета

Максимальные изгибающие моменты по расчетному случаю маневренная нагрузка Киль легкого самолета Н*м, Киль легкого самолета Н*м.

В зоне максимального изгибающего момента в лонжероне имеем расстояние между ц.т. полок лонжерона 51мм.

Киль легкого самолетаВ двух-трех наиболее нагруженных сечениях определяем площа­ди поясов лонжерона, толщину его стенки и толщину обшивки. Площадь сечения поясов лонжерона (рис. 8.) опре­деляется по формуле


Киль легкого самолета

где М – изгибающий момент;

Нр - расстояние между центрами тяжести сечений поясов;

sразр - разрушающее напряжение.


Принимаем для стеклоткани Т-10 допустимые напряжения

Киль легкого самолета.

Тогда площадь сечения равна:

Киль легкого самолета.


Усилие в полке равно:

Киль легкого самолета, Н.


Киль легкого самолета


Рис. 8.


По технологическим соображениям минимальный размер полки лонжерона (2 слоя стеклоткани шириной 10мм) равен Киль легкого самолета, это почти в два раза превосходит требуемое значение.

Расчетное напряжение в полке лонжерона равно:

Киль легкого самолета.

Критическое напряжение местной потери устойчивости при сжатии равно:

Киль легкого самолета.

Расчетное напряжение не превосходит критических значений, следовательно, прочность обеспечивается.

Толщина стенки лонжерона определяется по формуле

Киль легкого самолета

где Q - перерезывающая сила;

Н - высота лонжерона;

τразр - разру­шающее касательное напряжение.


Максимальная перерезывающая сила равна:

Киль легкого самолета


Тогда толщина стенки лонжерона будет

Киль легкого самолета

Расчетное напряжение в стенке (2 слоя стеклоткани) равно:

Киль легкого самолета

Предполагая, что трехслойная стенка работает без потери устойчивости, допустимые напряжения сдвига равны Киль легкого самолета. Расчетное напряжение сдвига не превосходит допустимых напряжений, следовательно, прочность обеспечивается.

Максимальный крутящий момент, соответствующий случаю маневренной нагрузки:

Киль легкого самолета

В проектировочном расчете считаем, что крутящий момент воспринимается обшивкой и стенкой заднего лонжерона. Тогда погонное сдвигающее усилие от кручения будет равно

Киль легкого самолета

где Мкр - крутящий момент;

ω - площадь замкнутого контура.


По величине qкp определяем толщину обшивки, тогда δ = 0,3 мм – толщина обшивки работающей на кручение

Толщина обшивки определяется из условия восприятия ею крутя­щего момента. При этом делается допущение, что крутящий момент воспринимается внешним замкну­тым контуром, образованным об­шивкой.

Напряжения определяются по формуле Бредта:

Киль легкого самолета

Здесь ω – площадь контура работающего на кручение = 9333 мм2;

δ – толщина обшивки работающей на кручение = 0,3 мм (2слоя ткани СВМ).

Киль легкого самолета

Предполагая, что трехслойная стенка работает без потери устойчивости, допустимые напряжения сдвига равны Киль легкого самолета. 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.

Рефетека ру refoteka@gmail.com