Материал: Погорелов В.И.-Прочность и устойчивость тонкостенных конструкций

уты используются для крепления грузов внутри отсека, и тогда они называются усиленными. Жесткость промежуточных шпангоутов выбирают так, чтобы разрушение отсека не происходило от общей потери устойчивости. В [34] жесткость шпангоута, обеспечивающая общую устойчивость при чистом изгибе оболочки, подкрепленной также и стрингерами, предлагается определять по следующей эмпирической формуле:

(EJ )ш = 6,25 10−5 (4МR2 l) = 2,5 10−4 (MR2 l) ,

где М – изгибающий момент; R – радиус отсека; l – расстояние между шпангоутами.

Формула из [30], связывающая жесткости равномерно расположенных шпангоутов и стрингеров, позволяет устанавливать характер потери устойчивости отсека по величине параметра

Γ= Rш 3 Rш ((EJ))с ,

l tс EJ ш

где Rш – радиус нейтрального слоя шпангоута; tc – расстояние между стрингерами. Отсек равнопрочный на местную и общую устойчивость получается при 20 ≤ Г ≤ 80. Если Г < 20, будет происходить местная потеря устойчивости обшивки и стрингеров между шпангоутами, а при Г > 80 отсек разрушается от общей потери устойчивости.

Таким образом, стрингерный и лонжеронный отсеки различаются между собой лишь характером восприятия нагрузки и по внешнему виду практически неразличимы. Лонжеронный отсек имеет меньшее количество лонжеронов, но более мощных, чем стрингеры, в то же время обшивка у него более тонкая, чем у стрингерного.

В лонжеронном отсеке толщина обшивки выбирается из технологических соображений или такой, чтобы обеспечить целостность отсека при аэродинамическом нагреве. Такая обшивка может иметь вырезы для люков, так как осевая сила и изгибающий момент воспринимаются мощными лонжеронами и присоединенной обшивкой.

Обшивка в стрингерном отсеке воспринимает внешнюю нагрузку вместе со стрингерами, поэтому вырезы в ней нежелательны. Сами стрингеры имеют меньшую площадь поперечного сечения, чем лонжероны, количество их больше, а расстояние

89

между ними определяется из условия местной устойчивости участка обшивки, расположенного между двумя соседними стрингерами и шпангоутами.

При малых сжимающих нагрузках обшивка и стрингеры в стрингерном отсеке становятся тонкими. Отсек вырождается в гофрированный, который может быть даже легче, чем гладкий.

Отсеки, в которых обшивка и подкрепления составляют единое целое и изготовлены из одного материала, называются вафельными. Продольные и поперечные подкрепления в этом случае имеют прямоугольное сечение. Вафельный отсек – разновидность стрингерного – обладает высокой жесткостью и способен воспринимать значительные внешние нагрузки. Особые требования к жесткости обшивки предъявляются к конструкции, работающей в условиях аэро- и гидроупругости. В этих случаях обшивка может состоять из двух слоев, пространство между которыми заполнено легким пористым или сотовым заполнителем.

Для проведения расчета сухого отсека необходимо иметь следующие данные:

1)геометрические размеры – диаметр и длину отсека, размеры люков и их размещение на отсеке;

2)значение максимальной температуры, до которой нагревается отсек;

3)внешние нагрузки, действующие на отсек (осевая сила N; изгибающий момент M; перерезывающая сила Q).

Приведем изгибающий момент к эквивалентной по нормальным напряжениям осевой силе и с этой целью вычислим суммарные напряжения, создаваемые осевой силой и изгибающим моментом в цилиндрической оболочке радиуса R:

эквивалентной осевой силы:

Nэ = N + 2M R .

Так как оболочка нагревается, то коэффициент безопасности должен быть увеличен на величину температурного коэффициента. Для сжатой области отсека

90

четные Qp = fkbQ , Np = fkE Nэ определяются в соответствую-

щих расчетных случаях, назначенных для данного отсека. Например, для ракеты с неотделяющейся головной частью и хвостовыми стабилизаторами для основных отсеков в качестве расчетных следует принять следующие случаи эксплуатации.

1. Хвостовой отсек:

а) нагружение весом и изгиб приземным ветром на старте

(f = 2);

б) максимальные поперечные перегрузки на активном участке траектории и максимальный нагрев оболочки (f = 1,5).

2. Приборный отсек:

a) max nx1 на активном и пассивном участках траектории

(f = 1,5);

б) max ny1 на пассивном участке траектории (f = 1,5);

в) нагрузки при транспортировке (f = 1,5); г) подъем ракеты краном (f = 2).

Коэффициенты kb и kE на первом этапе, когда трудно определить температуру материала элементов силового набора, можно принимать равными 1,15÷1,25.

7.2. Материалы сухих отсеков

Основные материалы, применяемые для изготовления отсеков, – легкие алюминиевые сплавы. Реже сухие отсеки изготавливают из нержавеющих сталей и титановых сплавов, более перспективны композитные материалы. В табл. 3 приведены основные физико-механические характеристики некоторых конструкционных материалов, применяемых в сухих отсеках.

При выборе конструкционного материала для сухого отсека следует учитывать следующие требования: технологические, стоимостные, стойкость при атмосферных воздействиях (корро-

91

зия и т.п.) и возможность защиты от них, обеспечение минимальной массы.

Получим аналитический критерий, позволяющий сравнивать материалы с точки зрения последнего требования. Этот критерий должен включать в себя соотношение между прочностью (жесткостью) материала и его плотностью. Рассмотрим порядок его определения для простейших случаев нагружения типовых элементов конструкции отсеков.

Удельная прочность при растяжении-сжатии. В этом случае внешняя сила должна быть меньше разрушающей, т.е.

92

Из полученного выражения видно, что масса уменьшается при увеличении удельной прочности σb ρ, которая и является искомым критерием:

σb ρ – удельная прочность при растяжении

Удельная прочность при изгибе. Изгибающий момент дол-

жен быть меньше разрушающего момента, поэтому

откуда получаем удельную прочность при изгибе:

σb23 ρ – удельная прочность при изгибе

Удельная жесткость при сжатии стержня. Критическую осевую силу, определяемую по формуле Эйлера, гибкость круглого стержня и радиус инерции находят по следующим формулам:

93