Microsoft PowerPoint - Obci\271\277enia_kad\263uba_p.ppt

ObciąŜenia kadłuba
PROJEKTOWANIE I BUDOWA
OBIEKTÓ
OBIEKTÓW LATAJĄ
LATAJĄCYCH I
ObciąŜenia kadłuba
W. BłaŜewicz „Budowa samolotów, obciąŜenia”
W. Stafiej „Obliczenia stosowane przy
projektowaniu szybowców”
St. Danilecki „Konstruowanie samolotów,
wyznaczanie ociąŜeń”
R. Cymerkiewicz „Budowa Samolotów”
T. C. Corke „Design of Aircraft”
Źródła obciąŜeń kadłuba
• reakcje innych części samolotu mocowanych do kadłuba,
przede wszystkim usterzenia i podwozia oraz reakcje
mas skupionych, ładunku i urządzeń,
• obciąŜenia aerodynamiczne pochodzące od rozkładu
ciśnienia działającego na kadłub, istotne jest to dla
samolotów latających z bardzo duŜą prędkością M > 0.5
lub kadłubów nośnych,
• własna masa kadłuba w polu przyspieszeń,
• róŜnica ciśnień wewnątrz kabiny i na zewnątrz - dotyczy
to kabin uszczelnionych - z tzw. hermetyzacją,
• zabudowane w kadłubie jednostki napędowe i inne
instalacje siłowe (np. zaczep do holowania szybowców).
Rodzaje obciąŜeń kadłuba
(modele obciąŜeń)
• zginanie „pionowe”
• zginanie „poziome”
• skręcanie
Jaki przyjmujemy model obciąŜeń ?
→ belka podparta na dwóch podporach
(okuciach głównych)
Zginanie „pionowe”
• Pionowe siły masowe wywoływane obecnością
mas A, B.......N zaleŜą od przyśpieszenia
liniowego działającego na te masy.
• Szybowiec w locie naraŜony jest na działanie
współczynnika obciąŜenia n = 1 w locie
ustalonym poziomym lub n ≠ 1 w locie
nieustalonym.
• Współczynnik obciąŜenia wywołuje
przyśpieszenie liniowe: ani = n g
• Przyśpieszenie to jest stałe wzdłuŜ długości
kadłuba
zginanie „pionowe”
Zginanie „pionowe”
Zginanie „pionowe”
• ObciąŜenie zewnętrzne „działa” względem środka
cięŜkości i wywołuje przyspieszenie liniowe i
kątowe
• przyspieszenie liniowe jest stałe wzdłuŜ kadłuba i
równe: api = P/m
• przyspieszenie kątowe jest równe:
εy = M / Jy = P r / Jy
• przyspieszenie kątowe wywołuje przyspieszenie
liniowe zmienne liniowo względem środka
cięŜkości: aεi = εy (xSC-xi)
Działanie siły zewnętrznej (na kółku przednim)
Zginanie „pionowe”
Schemat „belki” kadłuba podpartej w
okuciach skrzydło/kadłub
Siła masowa:
Pmi = mi ⋅ ai
a i = a ni + a pi + ε y ⋅ (x sc − x i )
Układ przyśpieszeń wzdłuŜ długości kadłuba
Składowe obciąŜenia
Reakcje wyznaczamy z warunku równowagi
belki:
równanie momentu:
i=n
∑P ⋅x
i
i + R p ⋅ x Rp + R t ⋅ x Rt = 0
i =1
Składowe obciąŜenia
• siła (poprzeczna) tnąca
i= j
T j = ∑ Pi
i =1
• moment gnący
i= j
M j = ∑ ∆M i
równanie sił:
i =1
i=n
∑ Pi + R p + R t
i =1
• gdzie:
∆M i = Ti −1 ⋅ ∆xi
Składowe obciąŜenia
Działanie obciąŜenia bocznego
M poz = Ppoz ⋅ r
Schematyczny przebieg momentu gnącego i siły poprzecznej
Zginanie „poziome”
Przyśpieszenie liniowe w kierunku poziomym:
abp =
Ppoz
m
jest stałe wzdłuŜ długości kadłuba.
Zginanie „poziome”
Wynikowe przyśpieszenie liniowe działające na masę „i”
(analogicznie jak w przypadku zginania pionowego) wynosi:
abi = abp + ε z ⋅ ( x sc − xi )
Moment „Mpoz” jest źródłem przyśpieszenia kątowego:
εz =
M poz
Iz
gdzie „ I z ” jest momentem bezwładności szybowca względem osi pionowej.
Siła masowa pozioma wynosi:
Pmbi = abi ⋅ mi
Skręcanie kadłuba od siły bocznej
Skręcanie kadłuba od niesymetrii opływu
na usterzeniu poziomym
M s = (PH1 − PH 2 ) ⋅ a H
M s = Ppoz ⋅ h
Przypadek obliczeniowy
Przypadek obliczeniowy
Aby
zwymiarować
poszczególne
fragmenty
konstrukcji kadłuba, naleŜy przeanalizować moŜliwe
stany obciąŜeń w locie i na ziemi. Analiza tak duŜej
liczby przypadków jest bardzo czasochłonna. Pracę
tę ułatwia wykonanie wykresów sił tnących i
momentów gnących dla wybranych prostych
przypadków obciąŜeń jednostkowych.
ObciąŜenia wzdłuŜ osi x na ogół nie wymiarują
zasadniczej struktury, mogą natomiast wymiarować
węzły, którymi siły te są wprowadzone na strukturę
kadłuba.
ObciąŜenia działające wzdłuŜ dwóch pozostałych
osi moŜna rozdzielić na proste przypadki.
ZałoŜymy, Ŝe w płaszczyźnie (na przykład x-z) kadłub jest obciąŜony
następującymi zespołami „sił jednostkowych":
• pochodzącymi od masy kadłuba poddanego przyspieszeniu
odpowiadającemu współczynnikowi obciąŜeń n = l,
• pochodzącymi od mas kadłuba poddanego przyspieszeniom
odpowiadającym załoŜonemu przyspieszeniu kątowemu ε0 wokół
środka masy, czyli poddanych działaniu współczynników obciąŜeń
nε =
ε 0 xi
g
(na ogół przyspieszenie kątowe wygodniej jest wymiarować
pośrednio przez określenie PZH0 , czyli siły jednostkowej
wywołującej przyspieszenie kątowe, lecz przyłoŜonej na usterzeniu)
• aerodynamiczną PZH działającą na usterzeniu poziomym.
Przypadek obliczeniowy
Przypadek obliczeniowy
W kaŜdym przypadku belka kadłuba jest w równowadze
pod działaniem sił obciąŜających i reakcji na okuciach
skrzydłowych. Dla podanych przypadków obciąŜeń
sporządza się wykresy sił tnących i momentów gnących,
korzystając z tych wykresów moŜna dla dowolnego
przekroju A-A wyznaczyć wielkości siły tnącej i momentu
gnącego z zaleŜności:
Dla podanego rozkładu masy w kadłubie samolotu oraz
zadanego połoŜenia okuć skrzydła zbudować wykresy sił
tnących i momentów gnących dla następujących
obciąŜeń jednostkowych: nj = l, PZεj = l kN, PZHj. = l kN.
Dodatkowo przyjąć: Jy = 6223 kg m2
Przypadek obliczeniowy
Przypadek obliczeniowy
Obliczenia zestawiamy w tabeli:
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
Obliczenia reakcji na okuciach:
Zespół
mi [kg] x i [m] mi x i
Pi[N] mi x i2
mi ε (x i-x sc )
Podwozie przednie
31
1.8
55.8
304
100.4
-66
Sterownia
20
2.3
46
196
105.8
-34
Kadłub - część przednia
465
2.8 1302 4560 3645.6
-594
Załoga - fotele
240
2.9
696 2354 2018.4
-286
Silniki
200
5.85 1170 1961 6844.5
271
Kadłub - część tylna
232
6.1 1415.2 2275 8632.7
364
Usterzenie pionowe
25
9.5 237.5
245 2256.3
113
Usterzenie poziome
50
9.65 482.5
490 4656.1
232
1263
5405 12386 28259.8
Środek cięŜkości
wyznaczamy z
zaleŜności:
ze wzorów:
n
∑m x
i i
X SC =
i =1
n
∑m
i
i =1
= 4.28 m
Przypadek obliczeniowy
Przypadek obliczeniowy
Moment gnący:
Siły tnące:
Przypadek obliczeniowy - PZHε = l kN
Reakcje na okuciach
Przypadek
obliczeniowy:
obciąŜenia dla
n=1
Siły obciąŜające:
Pi = miε ( xi − xSC )
Uwaga: Siła PZHε nie jest siłą obciąŜającą, a jedynie
reprezentantem przyspieszenia katowego
Przypadek obliczeniowy - PZHε = l kN
Przypadek obliczeniowy - PZHε = l kN
Obliczenia reakcji na okuciach:
Składowe
obciąŜeń:
Przypadek obliczeniowy - PZH = l kN
Przypadek obliczeniowy - PZH = l kN
Reakcje na okuciach
Składowe
obciąŜeń:
Reakcje:
Przypadek obliczeniowy
ObciąŜenia kadłuba - uwagi końcowe
Sumaryczne obciąŜenie:
gdzie:
•QA-A i MA-A - siła tnąca i moment gnący dla załoŜonego przypadku
obciąŜeń w przekroju A-A,
•QAnj, QAεj, QAHj - rzędne wykresu siły tnącej dla odpowiednich
przypadków obciąŜeń jednostkowych w przekroju A-A,
•MAnj, MAεj, MAHj - rzędne wykresu momentów gnących jak poprzednio,
•n, PZHε , PZH - wielkość obciąŜeń dla badanego przypadku obciąŜeń.
ObciąŜenia kadłuba - uwagi końcowe
• Współczesne samoloty są uŜytkowane na duŜych
wysokościach, zmusza to do konieczności zwiększania ciśnienia
wewnątrz kadłuba. Powstająca róŜnica ciśnień, prowadzi do
pojawiania się obciąŜeń, stąd kadłub traktowany jest jako
uszczelniony zbiornik z obciąŜeniem wynikającym z róŜnicy
ciśnień. W razie zbyt szybkich zmian ciśnienia, ale takich, Ŝe
ciśnienie wewnątrz jest mniejsze niŜ na zewnątrz - zbyt
gwałtowna zmiana - spadek wysokości prowadzi do zmiany
kierunku obciąŜenia, te niewielkie obciąŜenia od ujemnej
róŜnicy ciśnień ściskają konstrukcję uszczelnioną, i są bardzo
niebezpieczne - dochodzi do ściskania cienkościennych powłok.
• Analizę rozkładu napręŜeń dodatkowo komplikuje istnienie
nieciągłości konstrukcji - wykroje okienne, drzwi - co zwiększa
napręŜenia w obszarach takich nieciągłości i utrudnia ich
obliczanie.
• ObciąŜenia wzdłuŜ osi x wymiarują, jedynie węzły
wprowadzające te siły na strukturę kadłuba. Są na
przykład węzły okucia łoŜa silnika na kadłubie. TakŜe
obliczenia węzłów podwozia mocowanego do kadłuba
wymagają osobnej analizy, do której niezbędna jest
znajomość schematu wytrzymałościowego struktury
kadłuba.