Проектировочный расчет киля

Проектировочный расчёт делается с целью определения сечений основных конструктивно-силовых элементов руля направления.

Вычислим толщин обшивки из условия на кручение.

где - удвоенный контур, ограниченный обшивкой, лонжеронами.

;

-величина наибольшего крутящего момента;

-разрушающее напряжение обшивки;

.

Толщину обшивки принимаем равной мм.

Нормальная сила определяется по формуле:

,

,

где – изгибающий момент, действующий в сечении,

– средняя высота лонжеронов;

– коэффициент, учитывающий форму поперечного сечения пояса лонжерона, принимаем .

Согласно (1.22):

.

Согласно (1.21):

.

Определяем толщину обшивки из условия действия нормальных напряжений. Разрушающее нормальное напряжение материала обшивки в растянутой зоне (нижняя панель) можно представить в виде: , где – коэффициент, учитывающий ослабление материала отверстиями под заклёпки. Принимаем

,

где – нормальная сила;

– коэффициент, определяющий долю нормальной силы, воспринимаемой лонжеронами, принимаем ;

– разрушающее нормальное напряжение материала обшивки;

– число лонжеронов;

– наибольшая из высот лонжеронов, в нашем случае ;

– габаритная высота -того лонжерона

B – ширина межлонжероной части

.

Толщина обшивки в растянутой зоне принимается равной:

.

Округляем данное значение до ближайшего: .

Потребная площадь стрингера вычисляется по формуле:

,

где – редукционный коэффициент обшивки. Для растянутой зоны подбирается по таблице [1] в зависимости от толщины обшивки . В нашем случае .

.

Данное значение следует округлить до ближайшего большего

Потребная площадь поперечного сечения переднего лонжерона в растянутой зоне вычисляется по формуле:

, (1.24)

где – разрушающее напряжение материала пояса.

Разрушающее нормальное напряжение материала пояса в растянутой зоне, как и для обшивки, можно представить в виде: , где – коэффициент, учитывающий ослабление материала отверстиями под заклёпки. Принимаем .

.

Потребная площадь поперечного сечения заднего лонжерона в растянутой зоне вычисляется по формуле:

. (1.25)

.

Критическое напряжение местной потери устойчивости стрингера и критическое напряжение потери устойчивости обшивки вычисляются по формуле:

, (1.27)

где – коэффициент, учитывающий условия закрепления. Он вычисляется следующим образом:

где – большая сторона пластины;

– меньшая сторона пластины

Данная формула применяется для пластины, три стороны которой опёрты, одна из сторон, параллельная нагрузке, свободна. Для свободно опёртой пластины .

Критические напряжения потери устоичевости обшивки:

Подберём стенки лонжеронов. Перерезывающую силу можно распределить между лонжеронами пропорционально их изгибной жёсткости. Тогда для стенки -того лонжерона:

,

,

где – средний угол сходимости поясов лонжеронов при виде крыла по полёту;

– перерезывающая сила в расчётном сечении ;

– перерезывающая сила с учётом конусности крыла.

Средний угол сходимости поясов определяется по формуле:

.

,

.

Толщина стенки -того лонжерона:

,

где – разрушающее касательное напряжение материала стенки. Можно принять .

,

.

Округляем данные значения до ближайших больших из стандартных толщин листов: , . Стенку необходимо проверить на устойчивость при работе на сдвиг:

где – критическое напряжение потери устойчивости при сдвиге. Оно вычисляется по формуле:

где – коэффициент, учитывающий условия закрепления. Для свободно опёртой пластины: если , если .

,

.

,

.

Условие устойчивости не выполняется, поэтому подберем другие толщины стенок ,

,

.

,

.

Расчет рядовой нервюры.

Нервюры располагают с шагом 350мм. Рассчитаем нервюру как балку.

Рисунок 9 – Эпюры Q и М для нервюры

Подберём стенки нервюры. – Перерезывающая сила в расчётном сечении ;

Толщина стенки нервюры:

,

где – разрушающее касательное напряжение материала стенки. Можно принять .

Округляем данные значения до ближайших больших из стандартных толщин листов: . Стенку необходимо проверить на устойчивость при работе на сдвиг:

где – критическое напряжение потери устойчивости при сдвиге. Оно вычисляется по формуле:

где – коэффициент, учитывающий условия закрепления. Для свободно опёртой пластины: если , если .

,

Условие устойчивости не выполняется, поэтому подберем другие толщины стенок

,

,

Нормальная сила определяется по формуле:

,

Рисунок 10 – сечение основных силовых элементов: а – лонжерона; б – нервюры;

в – обшивки

Крепеж каркаса контура

Каркас контура киля включает: переднею и заднюю кромки, концевую нервюру и бортовую нервюру.

В качестве расчетной примем нагрузку, действующую в корневом сечении киля, как наибольшую.

Подбор диаметра заклепки d осуществляется из условия равнопрочности заклепки на срез и листов под ней на смятие:

Р_ср = Р_см .

Откуда легко получить:

где

[σ_см]_л, [σ_ср]_зк - допускаемые напряжения на смятие соответственно материала листа и заклепки;

τ_зк - допускаемое напряжение на срез заклепки;

δ_min - минимальная из толщин листов

. Для неразъемных соединений . Принимаем: . Получаем: МПа.

Получим:

мм. Принимаем: мм.

Шаг заклепок:

где σ и τ - действующие в листе напряжения.

минимальный шаг заклепок Принимаем шаг заклепок 15 мм. Минимальное расстояние от края листа: мм.

Крепеж лонжеронов.

Расчет крепежа аналогичен расчету для контура каркаса.

Для лонжерона:

,

минимальный шаг заклепок Принимаем шаг заклепок 15 мм. Минимальное расстояние от края листа: мм.

Крепеж рядовых нервюр.

Нервюры воспринимают крутящий момент, приходящий от обшивки. Принимаем крепежные элементы – заклепки,

Шаг заклепок:

Согласно формуле были подобраны шаги заклепок для нервюр:

Минимальное расстояние от края листа:

8Разработка конструкции агрегата и директивной технологии сборки

Киль состоит из следующих элементов.

Передняя кромки и задняя кромка, лонжероны, бортовая и концевая нервюры образуют каркас киля, который устанавливается в стапель для дальнейшей сборки агрегата.

Передняя кромка представляют собой фрезерованую рейку, имеющий соответствующие ответвление для крепления рядовых нервюр.

Лонжерон – цельнофрезерованный профиль, двутаврового сечения. Ширина поясов подобрана из условия размещения заклёпок для крепления к верхней и нижней панелям обшивки и из условия удовлетворения потребным значениям прочностной площади поясов.

Бортовая нервюра состоит из двух цельнофрезерованных элементов, соединяемых между собой на лонжероне. Пояса нервюры имеют переменную толщину по длине, для обеспечения требования минимально возможной массы агрегата.

Верхняя и нижняя панели обшивки – листы переменной толщины от 5 до 1,6 мм. Переменная толщина достигается химическим фрезерованием панелей.

Рядовые нервюры схожи по конструкции и представляют собой детали, выполненные из листов толщиной методами листовой штамповки. Ширина поясов подобрана из условия размещения заклёпок для крепления к верхней и нижней панелям обшивки.

Сборка ведётся от каркаса. На установленый в стапель каркас крепятся нервюры, затем устанавливаются панели обшивки и законцовка. После сборки подбалочный киль проверяют на точность воспроизведения аэродинамических обводов и точность сборки.

9 Расчёт на прочность центрального узла крепления и проработка его конструкции

Согласно заданию необходимо произвести детальный расчёт одного из узлов конструкции. В качестве такого узла выбираем узел крепления кронштейна навески руля направлений к килю.

Узел воспринимает и передает усилия руля направлений, приходящие через кронштейн.

Расчет кронштейна

Усилие, действующее на кронштейн:

Расчет вилки ведем в соответствии с рекомендациями, изложенными в [2].

Подбираем подшипник ШС15 с Р_раз=46кН. Параметры D=28мм; d=15мм; b₁=12мм; b=8мм.

Диаметр отверстия d_пр в проушине принимается равным диаметру подшипника:

d_пр =D = 28 мм.

Толщина проушины:

,

где n – число проушин, воспринимающих силу Р^р;

m - коэффициент, учитывающий подвижность соединения.

Примем d = 8 мм.

Напряжение смятия:

Избыток прочности:

Определяется ширина в` проушины из условия ее прочности на разрыв:

, здесь d_пр = D_n

Принимаем в=36мм;

Определяется минимальная ширина проушины из условия прочности при запрессовке подшипника:

в_min = d_пр + 2x_min=28+0,4=28,4мм

Принимаем в=37мм;

Вычислим размер y` из условия работы проушины на срез:

где - предел прочности материала проушины на срез.

Определим размер у:

у = max (у`, y_min),

где , из условия размещения гайки (головки болта).

Таким образом, у = 7 мм.

Коэффициент k, учитывающий концентрацию напряжений, определяем по экспериментальным графикам в зависимости от отношений в/d и у/х:

k = 0,9.

Проверим выполнение условия прочности проушины на разрыв:

Избыток прочности:

Рисунок 11 – Схема кронштейна

Как видно по рисунку 11 на стрежни кронштейна действует изгибающий момент
М=4,11кНм и осевая сила P=43,19cos54^o=25,38кН.

Примем B=15мм, с=3мм. Найдем h:

Решая данное уравнение, получим h= 12,34мм. Принимаем h=13мм.
Срезывающие усилие на болт

Составляющие усилия на болт определяются по формулам:

где F_i - площадь поперечного сечения i-го болта;

P- приложенная к кронштейну нагрузка;

r от оси самого нагруженного болта до опорной точки.

Общая усилие на болт

Разрушаю усилие на болт диаметром 5 мм на разрыв 13600Н. Следовательно, болт выдержит данные нагрузки.

Подберем толщину основания из условия на смятие:

Принимаем .

9.2Расчет бортовой усиленной нервюры

Рисунок 12 – Эпюры Q и М для силовой нервюры

Определим центр жесткости

Крутящий момент от усилий с кронштейна

Погонная сила от крутящего момента

Сила на лонжеронах от погонной силы на первом и втором лонжероне

Эпюры действующих сил на нервюру показана на рисунке 11.

Подберём стенки нервюры. – Перерезывающая сила в расчётном сечении ;

Толщина стенки нервюры:

,

где – разрушающее касательное напряжение материала стенки. Можно принять .

Округляем данные значения до ближайших больших из стандартных толщин листов: . Стенку необходимо проверить на устойчивость при работе на сдвиг:

где – критическое напряжение потери устойчивости при сдвиге. Оно вычисляется по формуле:

где – коэффициент, учитывающий условия закрепления. Для свободно опёртой пластины: если , если .

,

Условие устойчивости не выполняется, поэтому подберем другие толщины стенок

,

,

Нормальная сила определяется по формуле:

,