CC BY
41
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м VII 197 6
№ з
УДК 629.735.33.015.4
ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РАСТЯНУТЫХ ПАНЕЛЕЙ С ПРЕРВАННЫМ СТРИНГЕРОМ МЕТОДОМ РАЗГРУЖАЮЩИХ ОТВЕРСТИЙ
А. Н. Куликов, В. Ф. Кутышов, С. К- Кушеверский, И. Н. Панченко
Приведены результаты экспериментальных исследований несущей способности растянутых панелей с прерванным стрингером. Показано, что концентратор напряжений .прерванный стрингер" снижает несущую способность панели при наличии подрезов в зоне сопряжения стрингера с полотном на 40%. На основании проведенных исследований методами фотоупругости и малобазной тензометрии показано, что с применением разгружающих отверстий вследствие перераспределения напряжений в зоне концентратора это снижение уменьшается до 15%. Даны рекомендации по выбору размеров и положения разгружающих отверстии для конструкций растянутых панелей с прерванным стрингером.
Распространенные в настоящее время фрезерованные из плит монолитные панели крыла и фюзеляжа в зоне соединения с нервюрами, являющимися стенками герметического бака, или с герметическими шпангоутами имеют обрыв стрингера (фиг. 1, а). Уменьшение площади сечения в связи с отсутствием стрингера и наличием отверстий под болты для крепления герметических перегородок компенсируется утолщением полотна панели в этой зоне.
Проведенные исследования [1—3] показали, что в зоне сопряжения стрингера с утолщенной частью полотна возникает концентрация напряжений, причем ее величина существенно зависит от качества выполнения места сопряжения. Подрез (фиг. 1, б) и риски в зоне сопряжения существенно повышают концентрацию напряжений.
Концентратор напряжений типа „прерванный стрингер" существенно снижает несущую способность растянутой панели. Процесс разрушения панели с прерванным стрингером развивается в такой последовательности: при нагрузке определенной величины у основания стрингера появляется трещина (фиг. 2), дальнейшее возрастание нагрузки ведет к распространению трещины поперек и в глубь полотна и при достижении некоторой критической величины происходит разрыв всей панели.
Снижение несущей способности панели может характеризоваться коэффициентом: т) = ор м/ов, где стр м — напряжение при разрушающих нагрузках в точках, которые лежат вблизи концентратора и на которые влияние концентратора не распространяется; ов — предел прочности материала.
Концентратор напряжений „прерванный стрингер” при выполнении сопряжения в соответствии с технологическими рекомендациями для обработки применяемого материала снижает несущую способность растянутой панели на 23%, а при наличии подрезов в зоне сопряжения —на 40%.
Следует отметить, что панели с концентратором напряжений „прерванный стрингер” имеют также низкие усталостные характеристики; в местах сопряжения стрингера и полотна возникают усталостные трещины при сравнительно небольшом количестве циклов нагружения. Образовавшиеся трещины могут служить источником статического разрушения панели при повышении нагрузки.
Простейшим и наиболее распространенным путем повышения прочности панелей, работающих на растяжение и имеющих концентраторы напряжений, является утолщение сечения панели, приводящее к уменьшению общего уровня
напряженности. Эта конструктивная мера может быть применена и для повышения несущей способности панели с концентратором „прерванный стрингер". Увеличение толщины панели на 20—30%, осуществление плавного перехода от утолщенной части панели к по-
Подрез: Л = 0 0,25мм,
Ъ'- 3 + 10мм
Яормал ьно > 8ь/полненный радиус сопря жения ЯъЗмм
Фиг. 2
а) Дополнительный-^ материал \
\ /: 1
1
5) Фиг. 3
Фиг.
= (/,4 • 10 —2,2-70 )Па
лотну (фиг. 3, а) или увеличение захода утолщенной части полотна панели за торец стрингера (фиг. 3, 6) позволяют существенно повысить несущую способность панели, однако эти мероприятия связаны с вложением дополнительного металла, т. е. с увеличением веса конструкции.
Повышение несущей способности панели без увеличения ее веса можно осуществить, используя разгружающие отверстия. Суть этого конструктивного мероприятия заключается в следующем: вблизи торца стрингера на утолщенной части панели просверливается отверстие (фиг. 4), которое изменяет напряженное состояние в районе сопряжения стрингера и полотна панели, существенно снижая уровень напряженности в этом месте.
Методом фотоупругих покрытий было исследовано напряженное состояние в районе торца прерванного стрингера. На фиг. 5, а приведена картина напряженного состояния для панели без разгружающего отверстия, из которой следует, что в зоне сопряжения стрингера и полотна происходит резкое возрастание напряжений, т. е, это место является концентратором напряжений. На фиг. 5, б показано напряженное состояние в той же панели, но при наличии разгружающего Отверстия. Нетрудно видеть, что в этом случае зона сопряжения существенно разгружена., .
Степень снижения напряжений в опасной зоне существенно зависит от диаметра разгружающего отверстия О и удаления Д его кромки от места сопряжения. Влияние этих величин было определено экспериментально тензорезисто-рами с базой 3 мм. На фиг. 4 в качестве примера приведены результаты тензометри-рования одной из панелей при различных параметрах разгружающего отверстия. Из приведенного на фиг. 4 графика видно, что происходит резкое снижение напряжений в зоне сопряжения при возрастании параметра Ь/Д и уже при О/Д = 3 напряжения в указанной зоне не превышают напряжений оср вне зоны концентратора (аср — р!Р, где р—нагрузка, площадь образца в регулярном сечении).
Исследования показывают, что размер и расположение разгружающих отверстий, определенные из соотношений:
Ц->2, .£>3,
Ь Д
где Ь — ширина стрингера, обеспечивают снижение напряжений в зоне концентратора до уровня средних напряжений по регулярному7 сечению.
Разгружающие отверстия позволяют повысить несущую способность панели и получить значение коэффициента снижения прочности т]=0,85 независимо от качества выполнения места сопряжения стрингера и полотна. Невозможность достижения коэффициента тг] = 1 объясняется наличием в сечении других концентраторов напряжений и в первую очередь отверстий под болты, крепящие нервюру или шпангоут к панели.
При практическом осуществлении метода целесообразно в качестве разгружающих отверстий использовать отверстия под болты, подбирая диаметр отверстия и его расположение в соответствии с приведенными выше соотношениями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hertel Н. Ermiidungsfestigkeit der Konstruktionen. Sprin-ger-Verlag, Berlin, Heideberg, New York, i960.
2. Кутьинов В. Ф., Кушеверский С. К., Куликов А. Н. К вопросу о конструктивной прочности монолитной панели из сплава В-95 при растяжении. „Авиационная промышленность', 1973, № 8.
3. К у т ь и н о в В. Ф., Кушеверский С. К., Куликов А. Н., П а н ч е н к о И. Н. Исследование конструктивной прочности растянутой монолитной панели из сплава В-65 с концентратором напряжений „прерванный стрингер". Труды ЦАГИ,. вып. 1630, 1974.
Рукопись поступила 27/П 1975 г.
