Проектирование среднего вертолета, и шпангоута вертолета Ми-8Т

 

Рисунок 3.1 - Первая оправка установки

 

Рисунок 3.2 - Вторая оправка и кассеты установки



Рисунок 3.3 - Станина установки

Рисунок 3.4 - Общий вид установки

Рисунок 3.5 - Завершение второго этапа сборки фюзеляжа

Рисунок 3.6 - Установка, во время трех рабочих этапов, увеличенный вид в разрезе по плоскости VIII-VIII



Рисунок 3.7 - Третий этап сборки фюзеляжа

Рисунок 3.8 - Установка панели обшивки

Рисунок 3.9 - Завершение сборки секции фюзеляжа

Изобретение относится к области изготовления летательных аппаратов.

Из документа FR-2 894 869 известно изготовление фюзеляжа самолета из шпангоутов, покрытых обшивкой. Шпангоуты имеют круглую форму и образуют каркас фюзеляжа. Шпангоуты располагают один за другим на оправке, которая поддерживает их в окончательном положении друг относительно друга. Затем шпангоуты соединяют друг с другом и с другими деталями каркаса и покрывают обшивкой. Однако такой способ требует значительных затрат времени и средств на циклы сборки.

Задачей изобретения является сокращение времени циклов и соответствующих расходов, а также упрощение сборки секции фюзеляжа за счет ее автоматизации.

Поставленная задача решена в способе изготовления летательного аппарата, в котором, по меньшей мере, одну оправку пропускают через шпангоуты, установленные в кассете, и во время пропускания шпангоуты перемещают на оправке.

Предпочтительно:

- в кассету заправляют шпангоуты,

- кассету доставляют, затем

- кассета остается неподвижной, и оправку пропускают в шпангоуты.

Таким образом, кассету можно загружать на удалении от сборочной линии, затем эту кассету транспортируют до места сборки. Операция заправки кассеты сама по себе не нарушает процесс сборки.

Предпочтительно оправку пропускают через кассету.

Действительно, предпочтительно иметь кассету, поддерживающую шпангоуты на большей части их окружности, которая, как правило, является замкнутой.

Предпочтительно перемещение осуществляют таким образом, чтобы промежуток между шпангоутами на оправке превышал промежуток между ними в кассете, причем промежуток между ними на оправке предпочтительно равен промежутку между ними в летательном аппарате.

Таким образом, еще больше упрощают сборку и еще больше способствуют ее автоматизации.

Предпочтительно через шпангоуты, установленные в двух соответствующих кассетах, пропускают две оправки, перемещая оправки в направлении друг к другу. Этот вариант осуществления является предпочтительным для случая, когда секция фюзеляжа имеет относительно большую длину по сравнению с его диаметром. Действительно, применение двух оправок позволяет уменьшить консольность.

Предпочтительно оправки скрепляют друг с другом, в частности, жестко соединяя их во вращении. За счет этого улучшают устойчивость всей системы во время процесса изготовления.

Предпочтительно к шпангоутам присоединяют, по меньшей мере, одну панель обшивки.

Поставленная задача решена также в установке для изготовления летательного аппарата, содержащей:

- по меньшей мере, одну кассету для шпангоутов,

- по меньшей мере, одну оправку и

- средства для перемещения на оправке шпангоутов, установленных в кассете, во время пропускания оправки через шпангоуты.

Установка в соответствии с настоящим изобретением может содержать, по меньшей мере, один из любых следующих отличительных признаков:

- средства перемещения установлены на оправке;

- оправка содержит средства крепления шпангоутов на оправке, причем предпочтительно эти средства, по меньшей мере, частично образованы средствами перемещения; и

- средства крепления установлены на оправке с возможностью перемещения между убранным положением и развернутым положением, в котором они больше выступают из оправки, чем в убранном положении, при этом часть средств крепления установлена, например, с возможностью вращения на оправке вокруг оси, локально параллельной окружному направлению оправки.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания варианта осуществления, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на рисунке 3.1 показана первая оправка установки в соответствии с настоящим изобретением, вид в перспективе;

на рисунках 3.2 - 3.3 показана вторая оправка, кассеты и станины установки, вид в перспективе;

на рисунках 3.4 - 3.9 показаны этапы осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением при помощи установки, показанной на рисунках 3.1 - 3.3;

на рисунке 3.5 показана установка, изображенная на рисунке 3.4, во время трех рабочих этапов, увеличенный вид в разрезе по плоскости VIII-VIII.

Далее следует описание варианта осуществления установки в соответствии с настоящим изобретением для изготовления летательного аппарата. В данном случае летательный аппарат является летательным аппаратом тяжелее воздуха и в настоящем примере - вертолетом, содержащим фюзеляж 2, секция которого показана на рисунках 3.4 - 3.9.

В дальнейшем будет использоваться традиционная система координат X, Y и Z, в которой направление X обозначает продольное направление фюзеляжа, направление Y - поперечное горизонтальное направление, и направление Z - вертикальное направление.

Фюзеляж имеет в основном круглое сечение в плоскости, перпендикулярной к продольному направлению X. Он состоит из нескольких секций типа секции, изготовление которой будет описано ниже, причем эти секции впоследствии будут скреплены встык.

В целом установка 4 показана на рисунке 3.4. Как показано на рисунке 3.1, в настоящем примере установка содержит первую оправку 6 и две направляющих 8, параллельных направлению X и закрепленных на земле. Оправка 6 закреплена на кронштейне 10, при помощи которого она установлена с возможностью перемещения скольжением на направляющих 8 в направлении X. Оправка содержит боковую сторону в основном цилиндрической формы, ось 12 которой параллельна направлению X, и сечение, перпендикулярное к этой оси, имеет в основном круглую форму. Оправка установлена с возможностью вращения вокруг своей продольной оси, которая соответствует оси 12 цилиндра. На рисунке 3.1 слева показана передняя часть оправки, а на справа - задняя часть оправки. Оправка 6 содержит плоскую фронтальную сторону 32, перпендикулярную к оси 12. Фронтальная сторона 32 и боковая сторона 18 сопрягаются через скошенную фаску 34.

На своей цилиндрической поверхности оправка содержит отверстия 14, распределенные в несколько линий, параллельных оси 12. Каждая из них содержит несколько отверстий, в данном случае девять отверстий в каждой линии. Это число может меняться в зависимости от числа шпангоутов секции (см. ниже), то есть от длины собираемой секции. Отверстия линий образуют окружные ряды, расположенные в соответствующих последовательных плоскостях, перпендикулярных к оси 12. Как показано на рисунке 3.6, каждое отверстие 14 имеет прямоугольную форму. Оно содержит переднюю часть 14а и заднюю часть 14b, отделенные друг от друга в направлении X частью стенки оправки 6.

Оправка 6 содержит средства 16, 20 крепления, соединенные с оправкой и выполненные с возможностью удержания шпангоутов 52 фюзеляжа на оправке, что будет описано ниже. Эти средства содержат элементы, установленные подвижно на оправке с возможностью перемещения между убранным положением и развернутым положением, в котором они больше выступают относительно оправки в направлении, радиальном к оси 12, чем в убранном положении. В данном случае эти элементы содержат штифты 16 удлиненной прямолинейной формы, ориентированные в радиальном направлении. В убранном положении, показанном на рисунке 3.6 a, штифты находятся внутри оправки, не выходя за пределы стороны 18 оправки. В развернутом положении, показанном на рисунках 3.6 b и 3.6 с, часть штифтов 16 выступает из этой стороны через часть 14b отверстия. Штифты 16 выполнены с возможностью опоры на заднюю зону шпангоутов 52.

Средства крепления содержат также элементы 20, выполненные с возможностью опоры на переднюю сторону шпангоутов. В данном примере эти элементы содержат откидные зажимы 20 в виде крючка, наружный свободный конец которого содержит площадку 24. Откидной зажим выполнен с возможностью поворота вокруг оси 18, локально параллельной окружному направлению оправки. Таким образом, он находится в плоскости, параллельной направлениям Y и Z. Как показано на рисунках 3.6 а и 3.6 b, откидной зажим может занимать убранное положение, в котором он расположен внутри оправки, не выступая из стороны 18. В развернутом положении, показанном на рисунке 3.6 откидной зажим 20 проходит через переднюю часть 14а отверстия, выступая из стороны 18 оправки. Таким образом, с каждым отверстием 14 оправки связан узел из штифта 16 и откидного зажима 20.

Внутри оправки предусмотрен соответствующий механизм для приведения этих элементов в действие в рамках способа, который будет описан ниже. В частности, откидным зажимом можно управлять при помощи поворотной рукоятки 26 и через тягу 29. Ось вращения рукоятки параллельна оси 28.

В данном случае установка 4 содержит вторую оправку 30, которая выполнена так же, как и первая оправка 6, за исключением следующих отличительных признаков. Вторая оправка 30 тоже содержит фронтальную сторону 32, но она расположена с отступом от переднего края боковой стороны 18, образуя полость в передней части оправки. На второй оправке стороны 32 и 18 тоже сопряжены скошенной фаской. При этом первая оправка 6 выполнена таким образом, что образует охватываемую часть, а вторая оправка 30 образует охватывающую часть, выполненную с возможностью захождения в нее охватываемой части первой оправки, при этом фронтальные стороны 32 входят друг с другом в поверхностный контакт, так же как и две конусные скошенные фаски 34. Таким образом, обе оправки можно расположить коаксиально в продолжение друг друга.

Установка содержит средства для зацепления между двумя оправками при вращении, например, если необходимо привести во вращение одну оправку при помощи другой. В данном случае эти средства содержат зубчатое колесо или кулачок 40, выступающий из фронтальной стороны 32 первой оправки и выполненный с возможностью захождения в выемку 42 фронтальной стороны 32 второй оправки. Выемка 42 имеет охватывающую форму, ответную охватываемой форме колеса 40. При соединении двух оправок колесо первой оправки зацепляется со второй за счет зубчатого соединения с выемкой 42 во время вращения вокруг оси 12.

Как показано на рисунке 3.4, установка 4 содержит кассету 46 для первой оправки и вторую кассету 46, идентичную первой, для второй оправки. Каждая кассета содержит корпус 48 в основном в виде прямоугольного параллелепипеда. Этот корпус является плоским и в основном расположен в плоскости, параллельной направлениям Y и Z. Он содержит в центре проем 50. Кассета выполнена с возможностью размещения в ней шпангоутов 52 фюзеляжа. Шпангоуты 52 имеют плоскую и круглую форму. Они заходят в проем, будучи расположенными, каждый, в вертикальной плоскости, перпендикулярной к направлению X. Таким образом, шпангоуты расположены параллельно друг другу и коаксиально друг с другом, входят друг с другом в контакт и следуют один за другим.

Установка содержит также две станины 54, связанные с соответствующими оправками 6 и 30. Каждая станина 54 содержит корпус 56, имеющий форму, аналогичную форме корпуса 48 кассет. По меньшей мере, одна из станин содержит приводные средства 58, позволяющие приводить во вращение соответствующую оправку, когда она проходит через центральный проем 58 станины. Для этого эти средства содержит зубчатое колесо, смежное с проемом, зубья которого могут входить в зацепление с зубьями 61, выполненными в данном случае на заднем конце боковой стороны 18 оправки. Достаточно, чтобы только одна из станин содержала такие приводные средства, при этом другая станина выполняет простую функцию направления во вращении. Вместе с тем такими средствами можно оборудовать обе станины.

Как показано на рисунке 3.4, предпочтительно каждая оправка имеет общую длину L, меньшую ее 2 - кратного габаритного диаметра D. Предпочтительно эта длина L даже меньше 1,5 - кратного диаметра и, например, меньше или равна этому диаметру. Это позволяет избежать слишком большой консольности оправок, которая привела бы к прогибу этого инструмента под собственным весом вместе с весом фюзеляжа.

Установка содержит также средства управления, которые могут быть полностью или частично автоматизированы и которые позволяют применять способ сборки, который представлен ниже со ссылками на рисунки 3.4 - 3.9.

На первом, не показанном этапе в каждую из кассет 46 заправляют несколько шпангоутов 52. В данном случае эту загрузку осуществляют на удалении от сборочной линии, предварительно переместив оправку, чтобы удалить ее от других узлов установки 4. После заправки кассеты ее устанавливают на направляющие 8.

На втором этапе, показанном на рисунке 6, различные элементы установки располагают на направляющих в следующем порядке, начиная слева:

- первую оправку 6 с ее кронштейном 10 с левой стороны,

- связанную с ней станину 54,

- связанную с ней кассету 46,

затем отделенные пространством от этих первых элементов:

- кассету 46, связанную со второй оправкой 30,

- станину 54, связанную с этой второй оправкой, и

- вторую оправку с ее кронштейном с правой стороны.

Оба кронштейна 10 являются частями установки, наиболее удаленными друг от друга на направляющих 8. Станина 54, связанная с первой оправкой, упирается в направлении X в заднюю сторону кассеты 46, которая служит точкой отсчета положения. Передний конец первой оправки 6 заходит в проем 58 станины, но не доходит до проема 50 кассеты. Элементы, связанные со второй оправкой, в том числе сама оправка, являются симметричными с элементами, связанными с первой оправкой 6, в установке относительно плоскости симметрии, параллельной направлениям Y и Z.

На этой стадии изготовления и до показанного на рисунке 3.9 этапа включительно кассеты 46 и станины 54 жестко закреплены на направляющих 8 и остаются неподвижными относительно земли и относительно друг друга. В дальнейшем только оправки 6 и 30 перемещаются на направляющих в направлении X. Первоначально штифты 16 и детали 20 находятся в убранном положении.

Во время второго этапа, завершение которого показано на рисунке 3.5, первую оправку 6 пропускают через станину 54 и через соответствующую кассету 46, перемещая первую оправку на направляющих 8. Точно так же поступают со второй оправкой, поэтому обе оправки перемещаются в направлении друг к другу, пока не войдут в контакт и не соединятся друг с другом, как показано на рисунке 3.5.

Во время этого перемещения для каждой оправки приводят в действие средства 16 и 20 таким образом, чтобы штифты 16, находящиеся в первом окружном ряду в каждой линии, располагались радиально в момент, когда они окажутся напротив промежутка между первым и вторым шпангоутами 52 кассеты 46, причем эти шпангоуты являются самыми удаленными от кронштейна 10. Это выдвижение можно облегчить за счет выполнения скошенной формы на дальнем конце штифтов 16. Таким образом, выдвижение штифтов 16 позволяет оправке во время ее прохождения увлечь за собой первый шпангоут 52 из ряда. После начала этого захвата откидной зажим 20 тоже переходит в свое развернутое положение. Таким образом, шпангоут 52 жестко удерживается в положении на оправке на уровне своей задней стороны штифтом 16 и на уровне своей передней стороны откидным зажимом 20. Можно также предусмотреть специальные средства для блокировки любого вращения шпангоута относительно оправки вокруг оси X.

Когда отверстия 14 второго окружного ряда в линиях оказываются напротив промежутка между двумя шпангоутами, находящимися первыми среди остающихся в кассете, соответствующие штифты 16 переходят тоже в развернутое положение, чтобы точно так же увлечь на оправке самый первый шпангоут 52. После этого соответствующие откидные зажимы 20 переходят в развернутое положение.

Таким образом, различные шпангоуты постепенно перемещаются из кассеты на соответствующую оправку. Во время этого перемещения шпангоуты находятся напротив соответствующих отверстий 14. Таким образом, промежуток между ними становится больше, чем промежуток, который был между ними в положении хранения в кассете 46. В настоящем примере этот промежуток соответствует промежутку, который будет между шпангоутами в конечном положении на самолете.

Как показано на рисунке 3.5, в конце этого этапа все шпангоуты 52 оказываются выгруженными из кассет (которые теперь являются пустыми) и распределены на оправках. Оправки соединяют, и их стороны 18 образуют сплошную цилиндрическую поверхность.

На следующем этапе, показанном на рисунке 3.7, на установку доставляют панель 60 обшивки, в данном случае сверху и в направлении, радиальном к оси 12. Предпочтительно эта панель обшивки содержит предварительно собранные на ней стрингеры. Панель обшивки располагают и крепят на шпангоутах 52. Стрингеры проходят в направлении X.

При помощи станин 54 поворачивают обе оправки со шпангоутами и с закрепленной на них панелью 60 обшивки, как показано на рисунке 10. Это вращение позволяет операторам получить лучший доступ к панели 60 обшивки. Ее соединяют со шпангоутами, используя, например, глухие заклепки, которые можно устанавливать только снаружи.

Как показано на рисунке 3.8, после этого устанавливают вторую панель 60 обшивки так же, как показано на рисунке 3.7. Эта панель обшивки занимает место в секции, смещенной в угловом направлении относительно места, занимаемого первой панелью обшивки. Таким образом, все элементы обшивки располагают в изготавливаемой секции.

Как показано на рисунке 3.9, затем под секцией фюзеляжа между двумя кассетами располагают лоток 64, чтобы он поддерживал изготовленную таким образом секцию. Затем, вернув в убранное положение штифты и откидные зажимы, можно удалить кассеты одну за другой в направлении X и высвободить секцию. После этого секцию на лотке удаляют из установки.

Затем эти же этапы можно применять для изготовления другой секции 2 фюзеляжа.

Изобретение представляет особый интерес для изготовления секций фюзеляжа с большеразмерными панелями обшивки, чтобы максимально использовать автоматизацию (поэтому применяют две оправки для поддержания веса инструментария), причем эти панели могут быть выполнены из композитного материала или из металла.

Разумеется, не выходя за рамки изобретения, в него можно вносить различные изменения.

Изобретение можно применять при помощи только одной оправки, например, консольно установленной на направляющих 8.

В данном случае средства перемещения шпангоутов из кассет на оправки образуют часть средств удержания шпангоутов на оправках. Однако можно предусмотреть средства перемещения отдельно от средств удержания, которые, можно, например, выполнить на кассетах.

Можно предусмотреть, например, индивидуальное дистанционное управление приведением в действие средств перемещения со стороны оператора [1].



3.2 Нагружение и деформации элементов сборочных приспособлений

Действующие нагрузки и допущения при расчетах

При прочностных расчетах требуется определить жесткость элементов конструкции, гарантирующую их деформации не выше допустимых, и прочность элементов крепления несущей системы приспособлений. Таким образом, расчету подлежат каркасы СП.

С точки зрения строительной механики каркасы СП являются пространственными, многократно статически неопределимыми системами, распределение усилий в которых зависит как от внешних нагрузок, так и от жесткости составляющих элементов.

Расчет каркасов ведется по статическим нагрузкам. Возникающие динамические нагрузки от ударного инструмента при клепке ни по величине, ни по характеру воздействия не могут оказать существенного влияния на жесткость конструкции и ими обычно пренебрегают.

В общем случае на элементы конструкции СП могут действовать следующие нагрузки, вызывающие деформации:

1) Собственная масса балок с установочными (стаканы, вилки, заливочные) элементами, М_б;

2) Масса стапельных плит, ложементов и других элементов, которые в процессе эксплуатации СП не снимаются, М_m;

3) Масса колонн, кронштейнов, поперечных балок и других несъемных элементов, входящих в конструкцию каркаса СП, М_к;

4) Масса деталей и узлов, которые снимаются при эксплуатации СП, М_ск;

5) Масса собираемого изделия (объекта сборки), М_ос;

6) Масса людей, работающих в собираемом агрегате или находящихся на балках СП, М_р;

7) Усилия распора и прижима элементов собираемого изделия к элементам стапеля, P_p;

8) Масса вспомогательной оснастки, опирающейся на элементы каркаса СП (помосты, лестницы, подвесной инструмент, привод подвижных элементов СП и т.д.), М_во.

Действующую нагрузку принято делить на постоянную Р_пн, в которую входят первые три выше указанных, и переменную Р_пр, включающую все остальные возможные виды нагружения. Основной расчетной нагрузкой является переменная нагрузка Р_пр.

Собственная масса балок М_б может не учитываться, так как при их монтаже в инструментальном стенде (ИС) балки находятся в рабочем состоянии и опоры их расположены в тех же местах, на которые балки опираются в приспособлении.

Прогиб балок учитывает сам монтаж. Прочность стыков колонн, кронштейнов с колоннами проверяют по сумме нагрузок . Значит, действующие нагрузки следует рассматривать конкретно, согласно принятой расчетной схеме. Важно правильно распределить расчетную нагрузку.

В процессе расчета на жесткость обычно идут двумя путями:

1) По заданным допустимым деформациям определяют необходимые сечения элементов каркаса;

2) При выбранных ранее на базе аналогов сечений элементов конструкции каркаса СП проверяются, не выходит ли прогибы этих элементов за пределы допустимых.

В обоих случаях приходится при строгом соблюдении расчета реальных конструкций раскрывать их статическую неопределимость той или иной степени, что не всегда оказывается возможным. Затрудняет расчеты и неопределенность характера заделки концов балок, так как их в реальных конструкциях нельзя отнести ни к классическим шарнирам, ни к условиям жесткой заделки [2].

В целях облегчения практических расчетов используются упрощенные расчетные схемы с внедрением ряда допущений, приводящих к некоторому дополнительному запасу жесткости. При этом весь каркас СП расчленяют на простейшие элементы: балки, рамы, кронштейны и др., для которых можно использовать разработанные расчетные таблицы и графики. Основные допущения сводятся к следующему:

1. Многопролетные неразрезные балки заменяют системой однопролетных на двух шарнирных опорах (рис. 3.1, а);

2. При всех вариантах конструкции опор двухопорных балок они принимаются шарнирными;

3. Концы балок считают защемленными, если они закрепляются сверху на колонне или на нижней опоре, при креплении балок к боковой стороне колонны не менее, чем по двум плоскостям (к колонне и кронштейну) (рис. 3. 1,6);

4. Если неразрезная балка закреплена на нескольких промежуточных опорах по одной плоскости на каждой опоре, то заделка

1 - балки; 2 - кронштейны; 3 - колонны; 4 - ложемент; 5 - расчетная схема

Рисунок 3.1 - Расчетные схемы СП с учетом принятых допущений считается защемленной для соседних с этими опорами пролетов (рис. 4, в);

5. В случае опирания балки на короткие нижние опоры (стойки, тумбы) или колонны, жесткость которых EJ_оп значительно превышает жесткость балки Е_1б, деформациями опор пренебрегают. При соизмеримости жесткостей их рассчитывают совместно.

6. Если две балки связаны между собой несъемными ложементами (рис. 3.1, г), то их считают работающими совместно.

7. Если расчетную нагрузку P_пр трудно распределить между балками, то каждая рассчитывается по всей P_пр.

Допустимые деформации элементов сборочных приспособлений

Сборочные приспособления представляют собой нормальные калибры для собираемых в них изделий. Но для калибров точность изготовления делают на порядок выше, чем изделия, которые ими проверяют, а сделать то же самое для СП практически невозможно из-за сложности формы и габаритов.

Производственный опыт показывает, что доля погрешности СП в суммарной погрешности собираемых изделий в зависимости от принятых средств увязки и методов базирования составляет 30…50%. Учитывая допуски на обводы современных ЛА в зависимости от их назначения и функционального назначения объекта сборки в пределах с = 1,0…1,5 мм, можно установить суммарную погрешность СП, равную (3.1):

(3.1)

В расчетах точности суммарная погрешность СП представляется выражением:



где д_fk - погрешность, зависящая от деформации каркаса приспособления; д_fp - погрешность, возникающая от деформации рубильников; д_р - суммарная погрешность изготовления обводообразующих фиксаторов (рубильников, ложементов).

Причем д_с зависит от погрешностей изготовления обводообразующих фиксаторов д_сизг и погрешности их установки в СП д_{с уст}. Обе приведенные погрешности величины случайные и независимы друг от друга, и величина д_с может быть определена (3.2):

(3.2)

Современное производство обеспечивает изготовление рабочих поверхностей рубильников (ложементов) с погрешностью ± 0,1 мм и не выше 0,2 мм. Их установка в СП с использованием ИС производится с погрешностью, не превышающей 0,2 - 0,3 мм.

Тогда величина д_с будет в пределах

а допустимая погрешность от деформации элементов СП остается не более

Погрешность от деформации определяется величиной смещения в данном направлении точки конструкции под влиянием деформации. Если f_k - смещение, вызванное деформацией каркаса, f_с - смещение, вызванное деформацией рубильников, то (3.3):



(3.3)

Следует учесть, что смещение в заданном направлении, вызванное деформацией каркаса f_k, определяется смещением от деформации продольной балки f₁, от деформации поперечной балки f₂ и от деформации колонн f₃ (3.4):

(3.4)

При рассмотрении типовой конструктивно-силовой схемы сборочного приспособления (рисунок 5) и его нагружения в общем случае распределенной нагрузкой q при реальном соотношении размеров СП, то можно определить значения составляющих f_k и допустимые деформации элементов конструкции.

В большинстве СП размеры l₁, l_2, l₃ одного порядка и в первом приближении можно принять l₁ ? l₂ ? l₃ = l. Нагрузка на один пролет продольной балки будет q_i, на поперечную балку также q_i, а на колонну - ql/2. Прогибы продольных и поперечных балок при принятом соотношении размеров и одинаковых заделках концов можно принять y₁ ? y₂.

Деформация сжатия колонн будет значительно меньше деформаций изгиба балок, которые принимаются соответственно y_сж и y_из. Их значения в пределах упругой деформаций можно записать (3.5):

(3.5)

где P_сж = ql/2, P_из = ql - соответственно силы, сжимающая колонну СП и изгибающая продольную балку; F - площадь поперечного сечения колонны; J - момент инерции поперечного сечения балки; Е - модуль упругости первого рода; А - коэффициент зависящий от вида нагрузки и опор.

Соотношение рассматриваемых перемещений y_сж/y_из определится с учетом (3.5):

(3.6)

Для рассматриваемых задач величина А (табл. 3.1) не может быть меньше А = 5/384 и, полагая сечения балки н колонны одинаковых размеров, выполненных сваркой из двух швеллеров (рисунок 3. 1,6), можно установить предельную величину деформаций СП.

Из (3.6) очевидно, что y_сж/y_из увеличивается с увеличением J/F и уменьшением длины балки.

Как правило швеллеры для изготовления балок используются с H ? 300 мм. Для такого профиля при Н = 300 мм имеем [3]:

а - схема нагружения; б - сечение балки; l₁, l₂, l₃ - соответственно ширина пролета, длина поперечной балки, высота колонн; H - высота балки

Рисунок 3.2 - Типовая силовая схема СП

а - прогиб f обшивки относительно поверхности рубильника; б - расчетная схема; 1 - обшивка; 2 - рубильник; А, Б - точки касания поверхностей обшивки и рубильника

Рисунок 3.3 - Нагружение рубильника от усилий распора и расчетная схема

Рисунок 3.4 - Значения коэффициентов A, k и k/A в зависимости от вида нагружения и типа опор балок

При l = 300 см, что является обычно наименьшей длиной балки. По формуле (3.6) определяется:

Значит, деформация сжатия колонны практически на порядок меньше, чем балки. Учитывая, что направление деформаций совпадает с направлением смещений (по вертикали), величины у и f будут аналогичными. Поэтому f₂ = f₁, а f₃ = 0,12• f₁.

Перемещение от деформации рубильников можно принять соизмеримым с деформацией продольной балки f_с = f₁.

Тогда полное смещение, вызванное деформацией (3.3)

или

Таким образом f₁ = (y_m)_max = 0,1 мм. И чтобы обеспечить требуемую точность обводов ЛА, геометрические размеры (сечения, длина) продольных балок не должны допускать прогиб под нагрузкой f = 0,1 мм, что и принимается во всех расчетах сборочных приспособлений на жесткость.

Обследование крутильных деформаций балок показало, что угол закручивания не превышает 15'. Перевод в линейную деформацию дает перемещение порядка 0,01…0,02 мм при радиусе R = 300 мм. Поэтому при нагружении балок с небольшим эксцентриситетом, что соответствует их реальным условиям работы, кручение в расчете можно не учитывать.

Соотношение допустимых деформаций и напряжений

При расчете СП на жесткость, как правило, проверочные расчеты не ведутся. Это допустимо при определенных соотношениях напряжений и деформаций. Из (3.5) максимальный прогиб балок при поперечном изгибе силой P а максимальные напряжения в их сечении

Для балок с различным видом нагружения и опор M_max можно представить в виде M_max = kpl, а момент сопротивления - в виде тогда:

(3.7)

В приведенных формулах: А, к - коэффициенты, зависящие от вида нагрузки и опор балок (приводятся в таблице 1); l - длина балки; E - модуль упругости первого рода; J - момент инерции сечения; a - расстояние от нейтральной оси до наиболее удаленного контура сечения.

Чтобы определить длину балки l, у которой при допустимом прогибе у_доп напряжение не превзойдет допустимых значений у_max ? у_доп, запишем соотношение:

(3.8 а)

Для принятых условий выражение (3.8а) примет вид

(3.8 б)

откуда (3.8)

Так как величина прогиба пропорциональна длине балки во 2-й степени, а напряжение - в 1-й степени, то при l, меньшей, чем вычислена по формуле (3.8) (при том же допустимом прогибе), напряжение в балке окажется больше допустимого. Значит, чтобы «у» не превысила у_доп должно соблюдаться условие



(3.9)

При выполнении условия (3.9) расчет балок можно вести только на жесткость. Можно установить значение l_min для расчета НСП в условиях у_доп = 0,1 мм, что принято для всех расчетов на жесткость, из стали 3, из которой обычно изготовляют каркасы приспособлений. Тогда у_доп = 120 МПа, Е = 2·10⁵ Н/мм² (МПа).

Чем больше k/a, тем большее значение l_min при заданных у_доп, у_доп. Из таблицы 1 k/a < 12 при тех же параметрах и длине, напряжения будут меньше допустимых. Практически балки СП имеют высоту H от 100 до 400 мм. Для таких балок l_min получится в пределах:

1)

2)

Учитывая, что балки СП всегда имеют большую длину, чем полученные значения l_min, их можно рассчитывать только на прогиб, без расчета прочности.

Распределение нагрузки по элементам приспособления

Основными расчетными деформациями СП являются деформации от вертикальных нагрузок в вертикальной плоскости. Возможные горизонтальные нагрузки и создаваемые ими горизонтальные деформации обычно не учитывают. Исключение могут составлять нагрузки от распора обшивок, в связи с трудностями обеспечения их поверхности соответственно аэродинамическому контуру и необходимости прижима к рабочим поверхностям обводообразующих фиксаторов, как показано на рисунке 3.3.

Отклонение обшивок от рабочего контура рубильника обычно f = 1,0…2,0 мм, а l_к находится в пределах от 400 до 1000 мм. Для представленной схемы прогиб f определяется формулой, откуда интенсивность распределенной нагрузки (q) запишется:

Возникающее при этом добавочное внутреннее напряжение Ду мало, и им пренебрегают. Лишь в случае монолитных обшивок, особенно вафельной конструкции усилия прижима требуются значительной величины, и Ду следует учитывать.

Распределение вертикальных нагрузок по несущим элементам СП должно отражать реальное приложение сил, что делает расчет поперечного изгиба балки громоздким. Для упрощения расчетов сосредоточенные силы от рубильников и ложементов заменяются распределенной нагрузкой с интенсивностью (q) постоянной или переменной величины в зависимости от конструктивной схемы СП (рисунок 3.4). Так при сборке панелей крыла, оперения, хвостовой части фюзеляжа верхняя балка СП (стапеля) наклонна, масса рубильников (ложементов) с элементами ЗЭП M_p изменяется пропорционально их длине (в первом приближении).

Нагружение балок принимают соответственно рисунок 3.4, а, то есть по трапециевидному закону, а интенсивность распределенной нагрузки подсчитывается как показано на рисунке 3.4, б.

Если m₁, l₁ - соответственно масса и длина наименьшего рубильника, m_k, l_k - масса и длина наибольшего рубильника при длине балки l между опорами, интенсивность нагрузки q на прямоугольном участке схемы

(3.10 а)

где n - число входящих в нагрузку рубильников.

На треугольном участке

(3.10 б)

а наибольшая интенсивность q_k определится

(2.10)

При наличии в пролетах балок рубильников с установленными на них ЗЭП, масса которых существенно больше остальных, нагрузку от них принимается сосредоточенной, что значительно усложняет расчеты балок.

Подобно предыдущему распределяется нагрузка от массы собираемого узла (агрегата). При этом интенсивность нагрузки принимаются пропорциональной площадям поперечных сечений собираемой конструкции. Для упрощения, учитывая, что приведенная толщина обшивки по длине объекта сборки меняется незначительно, можно значения q принять пропорционально периметрам П и высотам сечений H.

Распределение нагрузки между балками СП производится так, чтобы их прогибы при этом были наибольшими из возможных, и зависит от схемы расположения балок и типа подвески рубильников (ложементов).

Для стапелей двухбалочной схемы (рисунок 3.4, в) принимается:

а) при расчете верхней балки 1 - массу рубильников M_p, массу объекта, сборки M_ос с работающими в нем людьми, а также массу установленных на ней фиксаторов;

б) при расчете нижней балки 2 - также массу рубильников M_p, M_ос с работающими, массу фиксаторов, установленных на нижней балке.

в) при расчете верхних балок учитывается масса правых и левых рубильников. Массу M_ос обычно не учитывают;

г) при расчете нижних балок учитывается масса боковых рубильников своей стороны, половина массы M_ос и половинамассы нижних рубильников.

Для стапелей четырехбалочных схем, что имеет место при проектировании ТО сборки отсеков фюзеляжа (рисунок 3.4, д):

а) при расчете верхних балок - масса боковых рубильников, прикрепленных к балке, и половина массы верхних рубильников. Масса объекта сборки, как правило, не учитывается;

б) при расчете нижних балок учитывается масса прикрепленных боковых рубильников, половина массы ложементов, половина массы собираемого агрегата.

Замена сосредоточенных сил распределенной нагрузкой вносит в расчеты погрешности: замена одной силы, приложенной в середине пролета балки, равновеликой распределенной нагрузкой, приводит к уменьшению приложения к балке расчетного прогиба в 1,6 раза, и он составляет 0,625 от действительного. В случае 8-10 сосредоточенных сил расчетный прогиб составляет 85 - 90% от действительного, что может быть учтено при уточнении значений.

1 - верхняя балка; 2 - нижняя балка; 3 - рубильники; 4 - колонна; 5 - ложемент; 6 - боковые рубильники

Рисунок 3.5 - Распределение вертикальной нагрузки между элементами СП



3.3 Расчет элементов сборочного приспособления на жесткость

Порядок прочностных расчетов сборочных приспособлений

В условиях производства, прежде всего при отсутствии аналогов существует следующий порядок расчета СП.

1) По выбранной конструктивной схеме, учитывая принимаемые допущения, выбирается расчетная схема приспособления.

2) Определяются расчетные нагрузки, действующие на элементы СП.

3) Из условий допустимых прогибов находятся потребные сечения балок и рубильников стапеля.

4) Производятся уточнения конструкции и нагрузок.

5) По уточненным нагрузкам производится уточненный расчет сечений балок и вносятся необходимые коррективы.

6) Проводится проверочный расчет прогибов балок.

7) Определяются нагрузки, действующие на колонны и фундаменты.

8) Выполняется расчет колонн и фундаментов.

Для определения действующей нагрузки выбирается материал элементов конструкции и подсчитывается их масса, используя выбранные параметры СП. Расчеты начинаются с определения прогиба продольных балок у_из = f ? f_доп.

Расчет на жесткость продольных балок

Определение величины деформаций (прогиба f) производится в общем случае методом и по формулам сопротивления материалов. При этом

(3.11)



где А, - коэффициент, учитывающий характер распределения нагрузки и вид опор (см. таблицу 1); Pi - величина каждой i-й нагрузки, Н; l - длина балки между опорами в см (м); Е - модуль упругости первого рода в Н/см² (МПа); Jх - момент инерции сечения балки относительно оси х-х в см (см. рисунок 3.5, б); E•J_X - жесткость профиля, Н•см² (Н•м²).

Для практических расчетов выполнено ряд графических зависимостей основных расчетных схем для определения коэффициента А, исходя из простейшего случая, когда балка свободно лежит на двух опорах, а Р действует в середине балки и А = 1.

Как указано в таблице 3.1 для данного случая

(3.12)

значит произведена замена коэффициента 1/48 на коэффициент А = 1, что дает возможность пересчитать коэффициенты для любых случаев.

Таблица 3.1 - Типы и рекомендуемые сечения швеллерных балок

Тип балки	№ швеллера	12	14а	16	18а	20а	24а	27	30
	№ сечения параметры	1	2	3	4	5	6	7	8
	Н, мм	120	140	160	180	200	240	270	300
	B, мм	104	124	136	148	160	190	190	200
	EJx•107 Н•м2	0,13	0,23	0,35	0,50	0,70	1,34	1,75	2,44
	EJy•107, Н•м2	0,09	0,16	0,22	0,30	0,40	0,74	0,83	1,08
	q•10, Н/м	20,9	26,7	30,6	34,9	39,6	51,7	55,3	63,6
	№ швеллера	20а	24а	24а	24а	30	30	30	30
	Н, мм	250	250	300	350	300	350	400	500
	В, мм	220	260	260	260	320	320	320	320
	EJX-107, Н•м2	1,48	1,77	2,82	4,19	3,39	5,00	6,95	12,1
	EJy•107, Н•м2	1,67	2,72	3,05	3,37	5,06	5,57	6,07	7,07
	q•10, Н/м	12,5	84,6	92,4	100,0	104,5	112,2	120,0	136,6

По табл. 3.1 соответственно EJ_потр подбираются размеры сечений нормализованных балок (см. рисунок 3.4, б).

Для шарнирноопертых балок такие расчеты приведены на рисунке 3.6, для защемленных - на рисунке 3.7, для рамных конструкций - на рисунке 3.8.

В случае расчета элемента конструкции при действии только собственной массы, равномерно распределенной по длине l

(3.13)

Задавшись допустимым значением f = f_доп =0,1 мм, можно построить кривые зависимостей А•Р_пр, l и EJ. В расчетах основной нагрузкой является переменная Р_пр (рис. 3.10а, б). В координатах l и А•Р_пр построены кубические параболы для тех значений жесткости балки, которые соответствуют прогибу f = 0,1 мм, при нагрузке балки Р_пр посередине пролета (А = 1). По этим графикам, найдя А•Р_пр при заданной l находится потребная жесткость балки или рамы EJ_потр.

Рисунок 3.6 - Расчетные схемы и коэффициенты к расчету шарнирноопертых балок СП



Рисунок 3.7 - Графики для подбора сечений балок и рам СП



Заключение

В данной выпускной квалификационной работе были проанализированы перспективы развития тяжелых вертолетов одновинтовой схемы, проведены расчеты летно-технических и геометрических характеристик тяжелого транспортного одновинтового вертолета c максимальной взлетной массой 22000 кг, а также выполнена компоновка вертолета. Также было рассмотрено перспективное приспособление для сборки каркаса (шпангоутов) фюзеляжа вертолета. Целью проектирования является определение оптимального сочетания основных параметров вертолета и его систем, обеспечивающих выполнение заданных требований.



Список литературы

1 Способ и установка для изготовления секции фюзеляжа летательного аппарата: пат. 2525590 Рос. Федерация: МПК B64F5/00 / Галлан Гийом (FR), Делаэй Ромен (FR); заявитель и патентообладатель Эрбюс Операсьон (FR). - №2011152862/11; заявл. 10.07.2013; опубл. 20.08.2014, Бюл. №23. - 13 с.: ил.

2 Богданов Ю. С. Конструкция вертолетов: учебник для авиационных техникумов / Ю. С. Богданов, Р. А. Михеев, Д. Д. Скулков. - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.

3 Колганов И.М. Технология сборки самолетов: методические указания по проведению практических занятий. Часть 3 / Колганов И.М., Томов П.Б. - Ульяновск: УлГТУ, 1999. - 55 с.

4 Кривцов В.С. Проектирование вертолетов: учебник. / В.С. Кривцов, Л.И. Лосев, Я.С. Карпов. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2003. - 344 с.

5 http://www.ato.ru/content/spros-na-vertolety-v-rossii-prodolzhaet-rasti

6 http://www.3e-club.ru/view_full.php? id=17&name=helicopter

7 http://ru.wikipedia.org/wiki/CH-53

8 http://www.airwar.ru/enc/ch/ch53.html

9 http://www.propulsionplant.ru/dvigateli/aviacionnye-raketnye-morskie-promyshlennye/aviadvigatel-oao/d-25 v.html

Размещено на Allbest.ru