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 α_кр (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.


Рис. 1.

4. Нормирование нагрузок

Исходные данные:

Самолет имеет двухкилевое ВО установленное симметрично относительно плоскости  хорд крыла.

Рис. 2.
Общая площадь вертикального оперения:

Площадь одного вертикального оперения
.
Площадь крыла
.
Вес самолета
.
Максимально допустимая скорость полета
.
Максимально допустимый скоростной напор
.
f = 1,5; n^Э_max = 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

где S_B.0. - площадь вертикального оперения.
, Н.
В соответствии с АП23 п.23.445 «Разнесенное (двухкилевое) вертикальное оперение» 65% вычисленной нагрузки приходиться на один киль.
, Н.
Удельная нагрузка на вертикальное оперение (нагрузка на единицу площади) равна:
, 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:
, Н,
где - площадь киля.
, Н.
Нагрузка по размаху (высоте) киля распределяется пропорционально его хорде:
, Н,
где bк – хорда киля в сечении, тогда
, Н.
Распределение нагрузки по хорде вертикального оперения в случае маневренной нагрузки и остановки двигателей произво­дится так, как показано на рисунке:

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 R_t, 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

Рис. 4.
Определение изгибающих моментов и перерезывающих сил  киля.

Рис. 5.
, Н/м
Расчет ведем с концов киля. Для левого участка (рис. 5.) имеем:

Для правого участка (рис. 5.) имеем:

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

      
Рис. 6.

Определение крутящих моментов киля.
Расчет ведем с концов киля.
Погонный крутящий момент

Для левого участка (рис. 5.):

Для правого участка (рис. 5.):

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

    
    
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:
;
Максимальные изгибающие моменты по расчетному случаю маневренная нагрузка  Н*м,  Н*м.
В зоне максимального изгибающего момента в лонжероне имеем расстояние между ц.т. полок лонжерона 51мм.
В двух-трех наиболее нагруженных сечениях определяем площа­ди поясов лонжерона, толщину его стенки и толщину обшивки. Площадь сечения поясов лонжерона (рис. 8.) опре­деляется по формуле

где М – изгибающий момент;
      Н_р - расстояние между центрами тяжести сечений поясов;
      s_разр - разрушающее напряжение.
Принимаем для стеклоткани Т-10 допустимые напряжения 
.
Тогда площадь сечения равна:
.
Усилие в полке равно:
, Н.

Рис. 8.
По технологическим соображениям минимальный размер полки лонжерона (2 слоя стеклоткани шириной 10мм) равен , это почти в два раза превосходит требуемое значение.
Расчетное напряжение в полке лонжерона равно:
.
Критическое напряжение местной потери устойчивости при сжатии равно:
.
Расчетное напряжение не превосходит критических значений, следовательно, прочность обеспечивается.
Толщина стенки лонжерона определяется по формуле

где Q - перерезывающая сила;
      Н - высота лонжерона;
      τ_разр - разру­шающее касательное напряжение.
Максимальная перерезывающая сила равна:

Тогда толщина стенки лонжерона будет

Расчетное напряжение в стенке (2 слоя стеклоткани) равно:

Предполагая, что трехслойная стенка работает без потери устойчивости, допустимые напряжения сдвига равны . Расчетное напряжение сдвига не превосходит допустимых напряжений, следовательно, прочность обеспечивается.
Максимальный крутящий момент, соответствующий случаю маневренной нагрузки:

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

где М_кр - крутящий момент;
      ω - площадь замкнутого контура.
По величине q_кp 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:

Здесь ω – площадь контура работающего на кручение = 9333 мм²;
          δ – толщина обшивки работающей на кручение = 0,3 мм (2слоя ткани СВМ).

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