Лабораторный практикум по расчету вертолета на

прочность

Лабораторная работа № 1Экспериментальное исследование прочности

летательных аппаратов

• статические испытания;• испытания на выносливость;• акустические испытания;• динамические испытания, включающие в себя:

копровые испытания посадочных устройств; частотные и резонансные испытания; испытания по проверке по безопасности от флаттера;

• испытания по проверке безопасности от упругих колебаний от полетов в системой автоматического управления и гашения флаттера;

• испытания на динамическое действие нагрузок при полете в неспокойном воздухе;

• испытания на динамическое действие нагрузок при посадке;• испытания по проверке безопасности от реверса органов управления.

Типы испытаний на прочность провидимые в лабораториях:

Цель прочностных статических испытаний

• Определяется фактическая прочность летательного аппарата и отдельных его агрегатов, т.е. величина предельной несущей способности конструкции летательного аппарата (в процентах расчетной нагрузка), при которой происходит разрушение основных агрегатов (крыла, фюзеляжа, горизонтального и вертикального оперения в др.). Основное требование к прочности самолета - конструкция должна выдерживать 100% расчетной нагрузки без видимых разрушений и нарушения герметичности.

• Контролируется и определяется жесткость всей конструкции и отдельных агрегатов. Основное требование норм жесткости - конструкция должна обладать достаточной жесткостью, чтобы под действием внешних нагрузок не искажались внешние формы самолета и характеристики устойчивости и управляемости находились в допустимых пределах.

• Определятся компоненты напряженно-деформированного состояния, действующие в отдельных элементах, расчетных сечениях и по размаху конструкции. Это делается с целью установления истинной картины распределения усилий и работы силовой схемы конструкции, а также для проверки теоретических методов расчета

Форма нагрузки на аэродинамические поверхности

Эпюры распределения аэродинамических и массовых сил по размаху и хорде крыла

Площадь крыла разбивается на элементарные площади по размаху и хорде крыла.

Способы нагружения летательного аппарата при проведении статических испытаний

Балластный способ нагружения Рычажный способ нагружения

Качество испытаний определяется правильным выбором количества точек приложения нагрузок и выдерживанием направления равнодействующей нагрузки

Замер местных деформаций и напряжений в элементах конструкции

Тензодатчик

R sR

схема наклейки тензодаачиков по корневой части консоли крыла планера

— коэффициент тензочувствительности датчика;

- номинальное значение сопротивления тензодатчика в недеформированном состоянии

– относительная деформация материала

s

R

Определение напряжений в элементах конструкции при замерах одиночными датчиками и с помощью розеток

Варианты наклейки тензодатчиков "розетка"

Способы замера общих деформаций конструкции при статических испытаниях

y

l

Угломеры маятниковые и квадранты оптические

По результатам замера прогибов и углов закручивания строятся кривые общих деформаций крыла по каждому расчетному случаю

Лабораторная работа № 2 НОРМАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ИЗГИБЕ

ТОНКОСТЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ

где i – относительная деформация г-го продольного силового элемента;

1 – относительный угол поворота расчетного сечения (кривизна упругой оси конструкции);

iy – координата центра тяжести i -го продольного силового элемента в главных центральных осях инерции сечения корпуса.

i iy

xi i i

x ï ð

My

J

где xM – изгибающий момент в расчетном сечении;

2

1

nï ð ï ðx i iJ F y – момент инерции приведенного сечения;

ï ði i iF F – приведенная площадь i -го элемента;

i – редукционный коэффициент элемента.

Закон плоскости для относительных деформаций по высоте поперечного сечения симметричной конструкции

Объект исследования и описание лабораторной установки

Объектом исследования является отсек корпуса вертолета хвостовай балки

(l-z) =1,8м

R = 0,2203 м

Нагружение балки в эксперименте проводится одной вертикальной силой

Р= 4900 Н (500 ктс),

Схема поперечного сечения балки

Стрингеры 1-7, 11, 15 и 16 изготовлены из алюминиевого профиля ПР-102-2 с площадью F=0.374 10-4 м2 и пределом прочности 473,1 МПа.Стрингеры 8 – 10 и 12 – 14 изготовлены из алюминиевого профиля с ПР-102-2 площадью F=0.651 10-4 м2 и пределом прочности 499,4 МПа

Теоретический расчет Расчет корпуса на изгиб выполняется в следупцей последовательности: 1. В бланке отчета по лабораторной работе чертим табл. 2.1 и 2.2. 2. В табл.2.I заносим исходные расчетные данные сечения: а) площади продольных элементов, равные площади стрингера к площади

присоединенной полосы обшивки: i i i î áøF F F

б) координаты центров тяжести продольных элементов, определенные для стрингера с обшивкой.

3. Вычисляем геометрические характеристики расчетного сечения: а) площадь расчетного сечения iF F ;

б) статический момент инерции xS в заданной системе координат

x i iS F y

в) координату центра тяжести расчетного сечения 0 xy S F ; г) координаты центров тяжести силовых элементов в центральных осях

сечения: 0i iy y y

д) статический момент инерции xS , в центральных осях инерции

x i iS F y (результат 0xS является критерием правильности вычислений);

е) момент инерции расчетного сечений' 2ï ð ï ðx i iJ F y .

Таблица результатов теоретического расчета

Номер стрин-гера i

Площадь стрингера

i ñò ðF 2 410ì

Площадь присоеди-

ненной обшивки

i î áøF 2 410ì

Площадь элемента

iF 2 410ì

Координа-та iy

210ì

i iF y 3 610ì

Координата ц.т. сечения

0i iy y y 210ì

i iF y 3 610ì

2i iF y

4 810ì

i МПа

1. 0,372 0,615 21,715 2. 0,372 0,615 20,405 3. 0,372 0,820 15,676 4. 0,372 0,769 9,195 5. 0,372 0,769 0 6. 0,372 0,769 -9,195 7. 0,372 0,692 -16,652 8. 0,651 0,615 -20,264 9. 0,651 0,615 -21,565 10. 0,651 0,615 -20,264 11. 0,651 0,820 -16,676 12. 0,651 0,769 -9,135 13. 0,651 0,769 0 14. 0,651 0,769 9,135 15. 0,372 0,692 16,652 16. 0,372 0,615 20,405

x i iS F y x i iS F y 2ï ðx i iJ F y

Техника проведения эксперимента и обработки результатов

Анализ полученных результатов и выводы

% 100%ò åî ð ýêñï

ýêñï

1. Включить тумблер 2. Установить нагрузку на конструкцию 0 кгс3. Произвести отсчет показаний прибора на цифровом табло и записать показание

прибора в гиде четырехзначного числа в табл.4. Нагрузить конструкцию до следующего уровня нагрузки.5. Произвести отсчет показаний прибора на цифровом табло и записать показание

прибора в гиде четырехзначного числа в табл. 6. Разгрузить конструкцию по нижнему динамометру до нуля и выключить тумблер

"Сеть" 2

3i i

Ea Pc

k 55 10c 47,06 10E 2.09k 3 4900P

Оценить отклонение теории от эксперимента:

Лабораторная работа № 3 КАСАТЕЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНТЯ ПРИ СДВИГЕ И КРУЧЕНИИ

ТОНКОСТЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ

Основной целью лабораторной работы является определение опытным путем картины распределения погонных касательных усилий в панелях обшивки однозамкнутого сечения тонкостенной авиационной конструкции при работе на сдвиг и кручение на примере слабоконической хвостовой балки вертолета.

1. Считается, что продольные элементы (стрингеры и полки лонжеронов) вместе с присоединенной обшивкой работают только на нормальные напряжения и не участвуют в восприятии касательных напряжений.2. В тонкостенной конструкции на сдвиг и кручение работают только панели обшивке и стенки лонжеронов.3. Касательные напряжения направлены по касательной к контуру и по толщине обшивки постоянны. Вместо касательных напряжений удобнее пользоваться понятием погонных касательных усилий

i i iq 4. Погонные касательные усилия в пределах одной панели постоянны.

Гипотезы свободного кручения:

0i i Iq q q

При расчете на сдвиг однозамкнутого контура погонные касательные усилия любой панели определяются как сумма погонных касательных усилий в этой панели открытого контура и погонного касательного усилия в замыкающей панели:

10

ï ð ii y x xq Q J S

погонные касательные усилия в панели для открытого контура:

yQ – перерезывающая сила в расчетном сечении с учетом конусности корпуса;

1

nï ðx i iJ F y – момент инерции приведенного сечения относительно оси x,

11

1

iix i iS F y

– статический момент инерции отсеченной части оечэнкя

относительно оси x (для 1-й панели суммирование проводится от 1-го ребра до i-1-гo ребра);

i i ñò ð i î áøF F F – площади продольных элементов, равные площади стрингера

и площади присоединенной полосы обшивки;

iy – координата центров тяжести продольных силовых элементов в центральных осях инерции.

Объект исследования

Хвостовая балка представляет собой клепаную тонкостенную конструкцию и состоит из 16 стрингеров, обшивки и 9 кольцевых шпангоутов. Стрингера 1-7, 11, 15 и 16 изготовлены из алюминиевого профиля с площадью и пределом прочности МПа.Стрингеры 8 – 10 и 12 – 14 изготовлены из алюминиевого профиля с площадью и пределом прочности МПа.Обшивка изготовлена из листового алюминия марки Д16Т-л 0,8 толщиной м с продольным стыком внахлест по стрингерам 3 и 11

Хвостовая балка выполнена в виде усеченного конуса

длиной 2,1l м (диаметры торцевых сечений по линии

срединной поверхности обшивки 1 0,464D м и

2 0,3D м). Балка консольно закреплена на силовых

колонках с помощью фланцевого крепления и стальной

опорной плиты (рис.2.2).

Описание лабораторной установки

Объектом исследования является отсек корпуса вертолета хвостовай балки

Нагружение балки при исследовании распределения погонных касательных усилий в панелях обшивки при работе сечения на сдвиг (рис.3.4) проводится одной вертикальной силой Р =4900 Н (500кгс)

Погружение балки при исследовании распределения погонных касательных усилий в панелях обшивки при работе сечения на кручение (рис.3.4) проводится боковым тендером до нагрузки Р = 4900 Н (500 кто) по верхнему динамо-метру

Порядок теоретического расчета

1. В бланке отчета по лабораторной работе чертим таблицы.

2. В табл.3.1 заносим исходные расчетные данные сечения. а) площадь продольных элементов

i i ñò ð i î áøF F F

б) координаты центров тяжести силовых элементов в центральных осях сечения iy .

3. Определяем y yQ P Q

4. Вычисляем статические моменты инерции отсеченной части сечения для каждой панели

11

1

iix i iS F y

5. Находим погонные касательные усилия в панелях открытого контура

10

ï ð ii y x xq Q J S

8 42517,1 10ï ðxJ ì

6. Погонное касательное усилие iq в замыкающей:

010

11

i iI

i

q saq

a s

Длину дуги каждой панели s:

360

ii

Ds

.

Значения центральных углов i . даны на схеме 7. определяем погонные касательные усилия

0i i Iq q q , 8. На последней странице бланка отчета по

лабораторной работе строим эпюру распределения погонных касательных усилий от сдвига по контуру поперечного сечения

9. Рассчитываем сечение корпуса хвостовой балки на кручение

2êð

êðêî í ò

Mq

0,5êðM Ph - крутящий момент, с учетом

направления действия сш; 4900P H - усилие на верхнем динамометре; 0,5h ì - плечо действия пары сил;

2

4

D - площадь контура в свету.

Погонное касательное усилие откладываем на графике.

Техника проведения эксперимента и обработки результатов

1. Включить тумблер "Сеть" на блоке измерения ЦТМ- 2. Установить нагрузку на конструкцию 0P по обоим динамометрам. 3. Нажать клавишу "Пуск" на блоке измерения ЦТМ-5, произвести отсчет показаний прибора на

цифровом табло и записать показания в табл.3.2 (столбец А0). Внимание! Вращение диска в направлении, противоположном стрелке и при отжатой кнопке переключателя категорически запрещено ввиду неизбежной поломки прибора.

4. Нагрузить конструкцию до уровня нагрузки P = 4900 Н (500 кто) и выполнить очередной отсчет показаний прибора (столбец АР)

5. Центральным силовым тендером разгрузить конструкцию до нуля 6. Провести пошаговый отсчет показаний всех 16 тензодатчиков при работе сечения на кручение

для уровня нагрузок Р=0 по верхнему динамометру. измерений занести в табл.3.3. 7. Нагрузить конструкцию силой "Р = 4900 Н (500 кгс)по верхнему динамометру. 8. Выполнить отсчет показаний прибора всех 16 тензодатчиков для уровня нагрузки Р = 4900 Н

(500 кто). Результаты измерений занести в таил.3.3. 9. Разгрузить конструкцию до нуля и выключить тумблер "Сеть" на блоке измерения ЩМ-5. 10. Провести обработку результатов эксперимента на сдвиг и кручение

2G AP AO Ck

11. где 42,64510G мПа - модуль сдвига для дюраля; к=2.14 - коэффициент тензочувствительности датчиков; АР - показания соответствующего тензодатчика при нагрузке; А0 - показания тензодатчика при нагрузке Р=0; С=3 106 -коэффициент усиления тензометричеокого моста.

12. Определить погонные касательные усилия в панелях обшивки по формуле: i i iq .

Анализ полученных результатов и выводы

Для наиболее нагруженных панелей вычислять процент расхождения результатов теоретического расчета и эксперимента.

% 100%ò åî ð ýêñï

ýêñï

q q

q

что при < 10 % совпадение хорошее, при 10% < < 25 % - удовлетворительное, а при > 25 % - неудовлетворительное.

Определить запасы прочности для наиболее нагруженных панелей

êð

i

1,25

/ /êð

i i

E

s R

i

критические напряжения потери устойчивости цилиндрической панели на сдвиг;

действующее напряжение в 1-й панели.

Лабораторная работа Л 4НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ТОРЦЕВОМ ЫАГРУЖЕНИИ

ТОНКОСТНШОЙ КОНСТРУКЦИИ

Основной целью настоящей лабораторной работа является определение опытный путем нормальных и касательных напряжений в стрингерах и панелях обшивки тонкостенной подкрепленной конструкции при торцевом нагружении, когда к части ее продольных ребер жесткости на торце приложены осевые сосредоточенные усилия.

В настоящем пособии эта задача рассматривается на примере восьми поясной тонкостенной конструкции постоянного по длине поперечного сечения, к части ребер которого i= 2,3,6,7 на торце приложены растягивающие осевые усилия Р0i

Объект исследования и описание лабораторной установки

Объектом исследования является тонкостенная подкрепленная конструкция постоянного поперечного сечения 1 (рис.4.3) длиной 1,2 м, закрепленная с помощью болтов на одной из стоек 2 опорного приспособления. Конструкция состоит из тонкой обшивки, подкрепленной в продольном и поперечном направлениях.

Стрингеры для удобства замера приклепаны по внешнему контуру обшивки и выполнены из алюминиевого профиля Пр-106-6 площадью F= 1,785 10-4 м2 и пределом прочности = 473,1 МПа. Обшивка изготовлена из листового алюминия марки Д16 толщиной = 0,001 м.

Теоретически расчет

I. В бланке отчета по лабораторной работе чертим табл.4.1-4.4.

2. В таблицу 4.1 заносим значения следующих величин: а) усилий Р0i, приложенных к стрингерам на торце z=0. Р0i = 0,25 Qz, (i= 2,3,6,7) и Р0i (i- 1,4,6.8); б) усилий iP первого этапа расчета:

iP 0.125 zQ (i=1,…,8);

в) усилий 0iP второго этапа расчета:

0 0i i iP P P (i=1,…,8); 3 определяем фиктивные погонные касательные

усилия *0iq :

1*0

1

k i

i okk

q P

(i=1,…,8);

3. Определяем коэффициент k 2

2*2

oi

i

PGk

EFs q

,

где G = 2,646 104 МПа; E = 7,06 104 МПа; = 0,001 м; s=0,14 и; s = 2,485 10-4 м2

4. Определяем значения функции затухания e ëÿz , а также значения нормальных

напряжений для двух стрингеров 1 01 e kzz ; 2 02 e kzz ;

1 1 1z z ; 2 2 2z z ;

*2 e kz

zq z q k

где 0101

P

F ; 02

02

P

F ; 1

1 2

P

F .

5. Определяем зону затухания взаимно уравновешенных усилий 0iP . С точностью до 3 % она равна:

3,51z

k

6. На последней странице бланка отчета по лабораторной работе строим графики изменения по длине нормальных напряжений 1 z , 2 z и погонного

касательного усилия 2q z . Там же откладываем по оси z величину зоны затухания.

Техника проведения эксперимента и обработки результатов

1. Включить тумблер "Сеть" на блоке измерения ЦТМ-5 в положение "Включено", Дать прибору прогреться в течение 5 минут.

2. Установить нагрузку на конструкцию zQ 0 Н (0 кгс). 3. Произвести шаговую установку переключателя на датчик 1. 4. Внимание! вращение диска в направлении, противоположном стрелке, и при отжатой кнопке

переключателя категорически запрещено ввиду неизбежной поломки прибора. 5. Произвести отсчет показании прибора и записать в столбец АО табл.4.3. 6. Нагрузить конструкцию до уровня нагрузки zQ 35710 Н (3500 кгс) и, выполняя операции п.2, в

ток же порядке провести отсчет показаний приборов АР (для стрингеров) и ВР (для панелей обшивки) с занесением показаний соответственно в табл.4.3 и 4.4.

7. Разгрузить конструкцию до нуля по динамометру и выключить тумблер "Сеть" на блоке измерения ЦТМ-5.

8. Провести обработку результатов эксперимента

1

2j jE AP AO ck

2

2q G BP BO C

k

где E = 7,06 104 МПа - модуль упругости дюраля марки Д16Т; к1 = 2,09 - коэффициент тензочувствительности датчиков; АО = показание тензодатчика при нагрузке Qz = 0; АР = показание тензодатчика при нагрузке Qz=35710 Н(3500 кгс); С = 5 106 - коэффициент усилия тензометрического моста ЦТМ-5.

где G = 2,646104 МПа - модуль сдвига дюраля;К2 = 2,14 - коэффициент тензочувствительности датчиков; ВР - показание датчика, при нагрузке Qz=35710 Н(3500 кгс);ВО - показание датчика при нагрузке Qz = 0; = 0,001 м - толщина обшивки;С = 510-6 - коэффициент усиления ЦТМ–5