Узел стыка отсеков фюзеляжа с сетчатой и традиционной конструктивно-силовыми схемами
Владельцы патента RU 2655585:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)
Изобретение относится к области авиационных конструкций с различными конструктивно-силовыми схемами (КСС), в частности к сетчатой силовой конструкции отсека фюзеляжа гражданского самолета. Узел стыка отсеков фюзеляжа с сетчатой и традиционной КСС содержит спиральные ребра и торцевое кольцевое ребро сетчатого отсека. Причем спиральные ребра выпущены за пределы торцевого кольцевого ребра на расстояние не менее 10 мм таким образом, что пересекающиеся ребра образуют дугу окружности с радиусом не менее 10 мм. Вплотную к торцевому кольцевому ребру расположен металлический шпангоут с пазами, в которые помещены спиральные ребра за пределами торцевого ребра, накрытые крышкой, стягиваемой к металлическому шпангоуту болтами. Обшивка и стрингеры отсека с традиционной КСС соединены с металлическим шпангоутом через фитинги посредством болтового соединения. Обшивки смежных отсеков присоединены с нахлестом к металлическому шпангоуту посредством болтового соединения. Причем ширина торцевого кольцевого ребра не менее ширины спиральных ребер. Достигается обеспечение необходимой прочности соединения сетчатого отсека с отсеками традиционных КСС фюзеляжа. 3 ил.
Изобретение относится к области разработки силовых композитных и металлокомпозитных авиационных конструкций с различными конструктивно-силовыми схемами (КСС), в частности к сетчатой силовой конструкции отсека фюзеляжа гражданского самолета, и может быть использовано для разработки авиационной техники.
Известен узел стыка отсеков фюзеляжа самолета, содержащий обшивки стыкуемых герметичного и негерметичного отсеков, подкрепленные стрингерами, и гермошпангоут, расположенный в месте стыка герметичного и негерметичного отсеков (Патент РФ №2472671, МПК В64С 1/10, ЗАО «Гражданские самолеты Сухого», 01.09.2011).
Недостатком данной конструкции, применительно к соединению сетчатого композитного отсека фюзеляжа и отсека фюзеляжа с традиционной КСС (на основе обшивок, подкрепленных стрингерами и шпангоутами), являются низкие прочностные характеристики конструкции в зоне соединения сетчатого композитного каркаса с фитингами. В данной конструкции используется болтовое соединение сетчатых ребер и фитингов, для которого высверливаются отверстия в однонаправленных композитных ребрах. Очевидно, что любое отверстие в однонаправленной композитной структуре приводит к существенному снижению прочностных характеристик композитного элемента. Кроме того, прочностные характеристики однонаправленной композитной структуры при воздействии срезного усилия болта на порядок ниже прочностных характеристик ребра на растяжение/сжатие, что не позволяет обеспечить необходимую прочность данного типа соединений для сетчатых композитных конструкций.
Известна стыковая накладка для соединения отсеков фюзеляжа, содержащая полоску, предназначенную для создания перемычки между отсеками фюзеляжа, срезной элемент, накладывающийся на полоску, и соединительный элемент между полоской и срезным элементом, а также связанный с ней способ соединения отсеков фюзеляжа (Патент РФ №2564561, МПК В64С 1/12, Дзе Боинг Компани (США), 04.11.2011).
Недостатком данной конструкции являются низкие прочностные характеристики конструкции в зоне соединения внешней обшивки сетчатого отсека со стыковой накладкой. Основным силовым элементом сетчатого отсека является композитный сетчатый каркас, воспринимающий все виды механических нагрузок (растяжение, сжатие, изгиб, кручение), а обшивка является несиловым элементом, основная функция которого - создание гладкой аэродинамической поверхности отсека фюзеляжа. Использование стыковой накладки с такой обшивкой для соединения сетчатого отсека с отсеками традиционных КСС не позволит обеспечить необходимую прочность соединения.
Известно фланцевое соединение сетчатых отсеков со смежными отсеками фюзеляжа, наиболее близкое по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению и принятое за прототип. Данное решение известно и применяется в серийных сетчатых конструкциях, изготавливаемых в ЦНИИСМ (см. статьи: А.Ф. Разин, Ю.О. Бахвалов, С.А. Петроковский, В.П. Полиновский, А.Г. Бахтин «Особенности проектирования композитных сетчатых отсеков, связанные с условиями их нагружения» // Конструкции из композиционных материалов. - №4. - 2009. - С. 34-43 и V.V. Vasiliev, A.F. Razin «Anisogrid composite lattice structures for spacecraft and aircraft applications)) // Composite Structures. - 2006. - Vol. 76. - С. 182-189).
Недостатком данной конструкции также являются низкие прочностные характеристики конструкции в зоне стыка, поскольку для его реализации предусматриваются продольные отверстия в торцевых кольцевых ребрах. Соединение осуществляется посредством шпилек и двух гаек, стягивающих стыкуемые конструкции. При воздействии растягивающих нагрузок на фланцевый стыковочный узел в торцевом кольцевом ребре возникают существенные концентрации напряжений. Это приводит к тому, что разрушение конструкции происходит в торцевых ребрах при уровне нагружения продольных и спиральных силовых ребер, составляющем лишь ~50% от уровня их несущей способности. Это обстоятельство не позволяет использовать данный тип стыка для конструкций отсеков фюзеляжей гражданских самолетов.
Техническим результатом является обеспечение необходимой прочности узла стыка сетчатого отсека с отсеками традиционных КСС фюзеляжа гражданского самолета.
Технический результат достигается тем, что в узле стыка отсеков фюзеляжа с сетчатой и традиционной КСС, содержащем спиральные ребра и торцевое кольцевое ребро сетчатого отсека, спиральные ребра выпущены за пределы торцевого кольцевого ребра на расстояние не менее 10 мм таким образом, что пересекающиеся ребра образуют дугу окружности с радиусом не менее 10 мм, вплотную к торцевому кольцевому ребру расположен металлический шпангоут с пазами, в которые помещены спиральные ребра за пределами торцевого ребра, накрытые крышкой, стягиваемой к металлическому шпангоуту болтами, обшивка и стрингеры отсека с традиционной КСС соединены с металлическим шпангоутом через фитинги посредством болтового соединения, обшивки смежных отсеков присоединены с нахлестом к металлическому шпангоуту посредством болтового соединения, причем ширина торцевого кольцевого ребра не менее ширины спиральных ребер.
На фигуре 1 изображена схема узла стыка сетчатого отсека фюзеляжа с отсеком с традиционной КСС с внутренней стороны фюзеляжа.
На фигуре 2 изображена схема узла стыка сетчатого отсека фюзеляжа с отсеком с традиционной КСС с внешней стороны фюзеляжа без обшивок.
На фигуре 3 изображено сечение узла стыка сетчатого отсека фюзеляжа с отсеком с традиционной КСС в плоскости, параллельной оси фюзеляжа.
Узел стыка отсеков фюзеляжа с сетчатой и традиционной КСС включает следующие основные элементы:
- спиральные ребра 1, выпущенные за пределы торцевого кольцевого ребра 2 на расстояние не менее 10 мм таким образом, что пересекающиеся ребра образуют дугу окружности с радиусом не менее 10 мм;
- металлический шпангоут с пазами 3, расположенный вплотную к торцевому кольцевому ребру 2, в которые помещены спиральные ребра 1 за пределами торцевого ребра 2,
- крышка 4, накрывающая спиральные ребра 1, помещенные в пазы металлического шпангоута 3, и стянутая к металлическому шпангоуту 3 болтами 5;
- фитинги 6, используемые для соединения обшивки 7 и стрингеров 8 отсека с традиционной КСС с металлическим шпангоутом 3 посредством болтового соединения.
В предлагаемом узле стыка потоки усилий в стыковочной зоне передаются через металлический шпангоут 3, в пазы которого помещены спиральные ребра 1. Потоки растягивающих усилий передаются от спиральных ребер 1 сетчатого отсека на металлический шпангоут 3 и далее через фитинги 6 на стрингеры 8 и обшивку 7 отсека с традиционной КСС. Потоки сжимающих усилий передаются от торцевого кольцевого ребра 2 сетчатого отсека, а также от спиральных ребер 1 на металлический шпангоут 3 и далее через фитинги 6 на стрингеры 8 и обшивку 7 отсека с традиционной КСС. При этом ребра 1 нагружаются в продольном направлении, что обеспечивает надежность и высокую прочность соединения. Данный узел стыка позволяет максимально реализовать прочностные характеристики спиральных ребер 1 сетчатого отсека, снизить концентраторы напряжений в стыковочной зоне и тем самым обеспечить необходимую прочность соединения отсеков фюзеляжа гражданского самолета.
Основными преимуществами предлагаемого узла стыка отсеков фюзеляжа с сетчатой и традиционной КСС по сравнению с аналогами являются:
1) снижение уровня концентрации напряжений в стыковочной зоне, что позволяет обеспечить необходимую прочность соединения отсеков фюзеляжа гражданского самолета;
2) максимальная реализация прочностных характеристик спиральных ребер сетчатого отсека;
3) возможность изготовления металлического шпангоута, интегрированного с торцевым кольцевым ребром сетчатого отсека, что позволит обеспечить надежное соединение отсеков без зазоров и люфтов.
Узел стыка отсеков фюзеляжа с сетчатой и традиционной канструктивно-силовыми схемами, содержащий спиральные ребра и торцевое кольцевое ребро сетчатого отсека, отличающийся тем, что спиральные ребра выпущены за пределы торцевого кольцевого ребра на расстояние не менее 10 мм таким образом, что пересекающиеся ребра образуют дугу окружности с радиусом не менее 10 мм, вплотную к торцевому кольцевому ребру расположен металлический шпангоут с пазами, в которые помещены спиральные ребра за пределами торцевого ребра, накрытые крышкой, стягиваемой к металлическому шпангоуту болтами, обшивка и стрингеры отсека с традиционной КСС соединены с металлическим шпангоутом через фитинги посредством болтового соединения, обшивки смежных отсеков присоединены с нахлестом к металлическому шпангоуту посредством болтового соединения, причем ширина торцевого кольцевого ребра не менее ширины спиральных ребер.
