Нагружение агрегатов самолета и их деформация под нагрузкой

В общем случае на конструкцию самолета действуют сложные, изменяющиеся во времени нагрузки.
Под действием воздушной нагрузки Δ _i (разрежения над крылом и повышенного давления под крылом, создающих подъемную силу) крыло изгибается вверх (рис. 8.1). При этом верхняя поверхность крыла сжимается, а нижняя растягивается.

Рис. 8.1. Изгиб крыла	Рис. 8.2. Изгиб и кручение крыла

В любом сечении прямого крыла, то есть крыла, продольная ось которого (ось, идущая вдоль размаха крыла), перпендикулярна продольной оси 0X самолета, можно найти точку, характеризующуюся тем, что сила, приложенная к крылу в этой точке, будет вызывать только изгиб крыла без его закручивания. Эта точка называется центром жесткости (ц. ж.) сечения крыла. Линия, соединяющая ц. ж. каждого сечения, называется линией центров жесткости. Следовательно, деформация крыла, показанная на рис. 8.1, будет иметь место только в случае, когда линия центров жесткости будет совпадать с линией центров давления (линией, соединяющей точки ц. д. в каждом сечении крыла).

Рис. 8.3. Деформация крыла под действием силы тяжести и тяги двигателя

Положение центра жесткости определяется только свойствами самой конструкции и не зависит от характера нагружения крыла. Нагрузка же может быть различной. Так, положение центра давления аэродинамической нагрузки зависит от режима полета. Кроме подъемной силы, на крыло действует также сила тяжести конструкции, приложенная в центрах масс сечений крыла.
В общем случае центр давления, центр жесткости и центр масс крыла не совпадают. В этом случае (рис. 8.2) крыло не только изгибается, но и закручивается.
Силы, вызывающие изгиб и кручение крыла, стремятся также сдвинуть одно сечение крыла относительно другого ("перерезать" крыло).
Аналогичным образом нагружаются и деформируются под действием аэродинамических сил, сил тяжести и инерционных сил от вращения лопасти несущего винта вертолета.
Под действием силы тяжести двигателя _дв, подвешенного на пилоне (от греч. pylon, буквально - ворота, вход) под крылом (рис. 8.3), крыло изгибается вниз (из плоскости крыла) и закручивается против часовой стрелки; под действием силы тяги _дв крыло изгибается вперед (в плоскости крыла) по направлению полета и закручивается по ходу часовой стрелки.
Из рис. 8.2 и 8.3 видно, что, выбирая соответствующее положение ц.м. и ц.ж. агрегатов, конструктор может существенно уменьшить деформации конструкции под нагрузкой.

Рис. 8.4. Изгиб фюзеляжа	Рис. 8.5. Изгиб и кручение фюзеляжа

Аналогично деформируется и фюзеляж самолета. Сосредоточенная сила _г.о. (балансировочная сила горизонтального оперения в полете) и распределенная нагрузка Δ _i (массовая сила конструкции фюзеляжа и грузов в нем) вызывают изгиб фюзеляжа в вертикальной плоскости (рис. 8.4).

Рис. 8.6. Упрощенная расчетная схема нагружения хвостовой части фюзеляжа

Изгиб моментом М _изг и кручение моментом М _кр фюзеляжа вокруг его продольной оси при отклонении руля направления (и, соответственно, при отклонении элеронов) проиллюстрированы рис. 8.5.
В самом первом приближении работу конструкции под нагрузкой можно рассматривать на упрощенных моделях предельно схематизированных конструкций, как это делает общемашиностроительная дисциплина "Сопротивление материалов".
Так, хвостовую часть фюзеляжа, нагруженную силой _в.о, можно схематично представить в виде Г-образной рамы (рис. 8.6,а), жестко закрепленной ("заделанной") на носовой части фюзеляжа; нагружение хвостовой части фюзеляжа силой _г.о - в виде Т-образной рамы (рис. 8.6,б).
Крыло, нагруженное в полете, можно представить в виде балки (рис. 8.7), заделанной в фюзеляже и находящейся в равновесии под действием равномерно распределенной по крылу воздушной нагрузки q _возд, распределенной массовой нагрузки q _мас и силы тяжести двигателя G _дв.
Крыло самолета на стоянке можно представить в виде балки (рис. 8.8), нагруженной распределенной массовой нагрузкой q _мас и силой реакции шасси R _ш.

Рис. 8.7. Упрощенная расчетная схема нагружения крыла в полете	Рис. 8.8. Упрощенная расчетная схема нагружения крыла на стоянке

Естественно, в приведенных примерах степень схематизации весьма высока. Так, воздушная нагрузка q _возд на реальном крыле распределена по размаху неравномерно (как мы уже отмечали, это зависит от формы крыла в плане, его аэродинамической и геометрической крутки); сила тяжести двигателя G _дв передается на крыло в нескольких точках (узлах навески пилона двигателя). Кроме того, жесткость крыла, т. е. его способность деформироваться под действием нагрузок, зависит от материала и конструкции крыла и, как правило, также переменна по размаху, что влияет на величины деформаций. Тем не менее даже такие простейшие модели (схемы) нагружения агрегатов самолета позволяют оценить форму деформаций агрегатов (изгибные, крутильные деформации, деформации сдвига, растяжения или сжатия) и направление этих деформаций и дают основания выдвинуть предложения о возможных конструктивных решениях агрегатов.