ОТСЕК СИЛОВОЙ КОНСТРУКЦИИ Российский патент 2002 года по МПК B64C1/10 

Изобретение относится к области самолетостроения, а именно к авиационным конструкциям, и может быть использовано в типовых конструкциях фюзеляжа и в корпусах других транспортных средств, имеющих гермоднище, обеспечивающих безопасность по условиям прочности при длительной эксплуатации изделия. Дополнительно изобретение может быть использовано в машиностроении при разработке силовых конструкций.

Весовая отдача конструкции фюзеляжа, имеющего гермоднище, работающей на внутреннее избыточное давление, определяется уровнем нормальных напряжений в обшивке фюзеляжа и гермоднища.

В соответствии с авиационными нормами (АП-25 и др.) конструкция должна обладать эксплуатационной живучестью, характеризующейся тем, что любое разрушение (усталостное, коррозионное или случайное) любого единичного элемента конструкции не должно приводить к катастрофическим последствиям.

В гермоднище фюзеляжа, работающем на внутреннее избыточное давление, таким конструктивным элементом является стрингер.

Напряжения в обшивке и стрингерах от внутреннего избыточного давления в гермоднище отсека силовой конструкции выбираются из условия обеспечения остаточной прочности с разрушенным стрингером и трещиной в прилегающей к нему обшивке до двух соседних стрингеров. При отсутствии стрингеров в зоне перехода гермоднища к обшивке отсека по всему периметру трещина в обшивке гермоднища может развиться до величины, при которой происходит разрушение конструкции.

МОС (методы определения соответствия авиационным нормам) и АП-25 для этой зоны в качестве регламентированного повреждения рекомендуют, что конструкция должна выдерживать соответствующие нагрузки с трещиной в обшивке длиной 800-1000 мм.

Упрощенный механизм разрушения элемента конструкции при переменных нагрузках можно представить в следующем виде. При действии переменных нагружений возникают микротрещины, источником которых является конструктивные (выточки, переходы от одного сечения к другому), технологические (риски, дефекты самого материала) или эксплуатационные (царапины, надрезы, коррозия) концентраторы напряжений, в области которых возникают местные напряжения. При определенном уровне напряжений в элементе конструкции образуются трещины, которые постепенно развиваются вглубь сечения элемента, уменьшая его. Процессы, связанные с развитием трещин и приводящие к разрушению конструкции, являются основным фактором, влияющим на долговечность работы конструкции.

Известны силовые конструкции, в частности конструкция фюзеляжа летательного аппарата с гермоднищем, содержащим накладку для перестыковки обшивки и продольного набора фюзеляжа, расположенную по периметру обшивки фюзеляжа, на которой расположена стыковая накладка для перестыковки с обшивкой гермоднища, на последней установлен гермошпангоут. Стрингеры, расположенные на обшивке гермоднища, заканчиваются у стыковой накладки (см. журнал "Техническая информация" 6 за 1982 г., статья "Эксплуатационная долговечность конструкции планера самолета", стр. 11-18, рис. 4 на стр. 15). На рис. 4 стрингеры не показаны, а в сечении в зоне соединения гермошпангоута и обшивки стрелкой показано место, где проникшая влага на границе соединения стыковой накладки и обшивки, явилась причиной катастрофической взрывной разгерметизации.

К недостаткам такой конструкции относятся следующие факторы:
- стрингеры, установленные на обшивке, заканчиваются перед стыковой накладкой, загружая последнюю дополнительными сосредоточенными силами;
- меридианальные нормальные напряжения от указанных выше сосредоточенных сил по стрингерам, многократно повторяющихся, являются причиной появления и развития трещин в месте стыка в обшивке либо в стыковой накладке;
- отсутствие силовых элементов, способствующих замедлению и ограничению роста развития трещин.

Задачей настоящего изобретения является создание конструктивных силовых элементов, препятствующих появлению трещин в конструкции, а в случае появления трещин замедление роста развития с повышением величины остаточной прочности обеспечивал их эксплуатационную живучесть конструкции, при этом увеличиваются ресурс и срок эксплуатации конструкции создаваемых вновь изделий.

Решение указанных выше задач приводит к гарантированному и надежному созданию машин и агрегатов с ресурсом их эксплуатации, значительно превышающим находящиеся в эксплуатации в настоявшее время изделия.

Указанные задачи в настоящем изобретении решаются созданием отсека силовой конструкции, имеющего гермоднище, на обшивке которого (гермоднища) с внешней стороны установлены несколько кольцевых шпангоутов и на котором меридиально закреплены стрингеры, силовой гермошпангоут, установленный через накладку в зоне перехода гермоднища к обшивке отсека, которая соединена с обшивкой гермоднища, и стоппер, причем стоппер установлен под силовыми гермошпангоутом внутри отсека. Стоппер выполнен в виде кольцевой пластины из высокопрочного материала, которая имеет языки, выпущенные для перестыковки со стрингерами, при атом стоппер может состоять из отдельных частей, перестыкованных между собой.

На фиг. 1 изображен отсек силовой конструкции с гермоднищем в аксонометрии.

На фиг.2 - сечение А-А по фиг.1.

На фиг.3 - вид Б по фиг.1.

На фиг.4 - сечение В-В по фиг.3.

На отсеке 1 силовой конструкции, содержащей гермоднище 2, установлена обшивка 3, стрингеры 4 и шпангоуты 5. На гермоднище 2 установлена обшивка 6, с внешней стороны которой расположено несколько кольцевых шпангоутов 7. В зоне перехода гермоднища 2 к обшивке 3 отсека 1 на обшивке 6 гермоднища 2 закреплены меридионально расположенные стрингеры 8 и силовой гермошпангоут 9 со скругленным переходом от полки 10 к стенке 11. Гермошпангоут 9 установлен через накладку 12, расположенную по периметру шпангоута и состыкованную с обшивкой 6 гермоднища 2. Под силовым гермошпангоутом 9 и накладкой 12 внутри отсека 1 установлен стоппер 13, выполненный в виде кольцевой пластины с выпущенными языками 14 для перестыковки со стрингерами 8. Стоппер 13 может быть выполнен из отдельных частей.

Стоппер 13 выполнен из ленты высокопрочного материала, например титановый сплав марки ВТ 6ч с пределом прочности G=900 МПа и плотностью γ=4500 кг/м³.

При многократных повторных нагружениях внутренним избыточным давлением отсека 1 силовой конструкции гермоднища 2 последнее стремится увеличиться в объеме, а обшивка 6 увеличиться в окружном (кольцевом) сечении и меридиональном направлении, т.к. гермоднище 2 представляет собой конус в зоне перехода гермоднища к обшивке 3 отсека 1 силовой конструкции, переходящей далее в сферу.

Обшивка 6 гермоднища 2 нагружается соответственно растягивающими усилиями в окружном, вдоль кольцевых шпангоутов 7, и меридиональном направлениях, вдоль стрингеров 8.

При определенном количестве циклов нагружений отсека 1 силовой конструкции, имеющего гермоднище 2, любой концентратор в обшивке 6 или накладке 12 приводит к появлению в них трещин, и в процессе дальнейших нагружений начинается рост трещины. Наиболее опасным участком является зона перехода гермоднища к обшивке отсека силовой конструкции. На участке обшивки 6 и накладки 12, ограниченном стрингерами 8 (см. фиг.3), появляется трещина, которая растет в длину в окружном направлении. В зоне, расположенной между двумя соседними стрингерами 7 и, пройдя расстояние от одного языка 14 стоппера 11 до другого, останавливается, т.к. языки 14, состыкованные со стрингерами 8, работая на растяжение и принимая на себя дополнительную нагрузку, не дают возможности раскрытия обшивки и выключают на этом участке обшивку из работы.

Тем самым изобретение позволяет при образовавшейся трещине отсеку 1 силовой конструкции, имеющему гермоднище 2, продолжить выполнение своих функций как агрегату, при этом не разрушаясь.

Использование изобретения позволит обеспечить следующие преимущества по сравнению с известными устройствами, а именно: установка стопперов по гермоднищу в зоне сочленения последнего с обшивкой отсека силовой конструкции и соединение стопперов со стрингерами приводят к уменьшению вероятности появления трещин, замедлению развития роста трещин, увеличению остаточной прочности конструкции, причем такая компоновка конструкции дает возможность технологически произвести корректную сборку (монтаж) зоны сочленения гермоднища с отсеком силовой конструкции, а также повысить надежность работы машин, агрегатов и увеличить их ресурс при значительных экономических выгодах в процессе эксплуатации за счет увеличения межремонтных сроков и за счет сокращения числа последних.

Изобретение относится к самолетостроению и касается создания конструкций фюзеляжа с гермоднищем, а также может быть использовано в машиностроении при разработке силовых конструкций. Отсек силовой конструкции содержит гермоднище. С внешней стороны гермоднища установлены кольцевые шпангоуты. На гермоднище закреплены меридиально расположенные стрингеры. Силовой гермошпангоут закреплен в зоне перехода гермоднища к обшивке отсека. Отсек снабжен стоппером, установленным между силовым гермошпангоутом и обшивкой отсека. Стоппер выполнен в виде кольцевой пластины из высокопрочного материала, на которой выполнены языки. Стрингеры гермоднища перестыкованы на этих языках. Стоппер может быть выполнен из отдельных частей, перестыкованных между собой по периметру полки гермошпангоута с выходом на обшивку отсека. Технический результат реализации изобретения заключается в увеличении ресурса и срока эксплуатации силовой конструкции посредством создания у нее конструктивных силовых элементов, препятствующих появлению трещин в конструкции, а в случае появления трещин - замедляющих рост их развития при повышении величины остаточной прочности. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Отсек силовой конструкции, содержащий гермоднище, с внешней стороны которого установлены кольцевые шпангоуты и на котором закреплены меридиально расположенные стрингеры, и силовой гермошпангоут, закрепленный в зоне перехода гермоднища к обшивке отсека, отличающийся тем, что он снабжен стоппером, установленным между силовым гермошпангоутом и обшивкой отсека и выполненным в виде кольцевой пластины из высокопрочного материала, причем на указанной пластине выполнены языки, на которых перестыкованы стрингеры гермоднища. 2. Отсек силовой конструкции по п.1, отличающийся тем, что стоппер выполнен из отдельных частей, перестыкованных между собой по периметру полки гермошпангоута с выходом на обшивку отсека.