Letecké kompozitové konstrukce

Transkript

1 Přehled konstrukčních schémat podle základních stavebních prvků letounu křídlo Trup Ocasní plochy Konstrukční řešení spojů a připojovacích bodů kompozitových konstrukcí 1

2 Konstrukce kompozitových křídel nosníková s potahem uzavřenou dutinou nosnou pouze ve smyku Typické schéma 2

3 Nosník kompozitových křídel Nosník přenáší ohybové zatížení křídla a skládá se většinou s pásnic,které realizují přenos ohybu a jsou propojeny stojinou nosníku,která přenáší posouvající síly Klasifikace nosníku -umístění nosníku v konstrukci křídla a využití stavební výšky křídla - geometrický tvar nosníku -materiál a technologie použité na pásnice 3

4 Klasifikace nosníků Využití stavební výšky křídla Technologie výroby pásnic 4

5 Klasifikace nosníků Geometrický tvar nosníkuskříňový tvar 5

6 Klasifikace nosníků Geometrický tvar nosníku- I,C profil 6

7 Klasifikace nosníků Použitý materiál pásnic -roving -jednosměrná tkanina 7

8 Klasifikace nosníků Použitý materiál pásnic -pultruzně tažený polotovar -pultruzní profil 8

9 Netypické nosníky Sendvičový oválný nosník Dřevěný nosník v kompozitové konstrukci 9

10 Potahy a žebra kompozitových křídel Potah přenáší aerodynamické zatížení křídla a tvoří dutinu přenášející krut křídla -tenká smyková skořepina-nepoužívá se -sendvičové panely Složení sendvičového potahu -potahové vrstvy tkaniny kladené pod 45deg,nebo dvě jednosměrné tkaniny pootočené o 90 deg,používá se uhlík i sklo - jádro sendviče tvořeno pěnou nebo voštinami -používají se i distanční 3 D tkaniny, které tvoří po prosycení přímo celistvý sendvič 10

11 Potahy a žebra kompozitových křídel Žebra slouží k přenosu aerodynamických sil na konstrukci a podpírají potah,zavádějí osamělé síly do,využívají se k vymezení integrálních nádrží atd Klasifikace křídel dle použití žeber - využívající množství žeber,z většinou technologických důvodů,pevnostně tato umožní použití menších tlouštěk sendvičových panelů 2-4 mm - s minimem žeber použitých pouze k zavádění osamělých sil od kování nebo k vymezení integrálních nádrží,větší tloušťky panelů 6-8mm 11

12 Konstrukce křídla s množstvím žeber podpírajícími potah 12

13 Konstrukce křídla s minimem žeber,žebra vymezují integrální nádrže 13

14 Konstrukce křídla s dvěma nosníky přenášející ohybové zatížení 14

15 Konstrukce kompozitových trupu Trup je konstruován jako prostorová skořepina nebo poloskořepina vyztužená příčnými nebo i podélnými prvky přenášející všechna zatížení (aerodynamické i setrvačné síly) Klasifikace kompozitových trupů dle pevnostních schémat -tenká skořepina -tenká poloskořepina s významnými podélnými prvky -skořepina se sendvičovým potahem -skořepina se sendvičovým potahem a podélnými prvky 15

16 Skořepinový trup-ul letoun Přepážky slouží k zavádění osamělých sil Rozdělují potah na menší pole z hlediska stability 16

17 Skořepinový trup-kluzák Přepážky vytvářejí centrální pevnostní uzel spojující křídlo trup i zachycují síly od podvozku V zadní části trupu malého průřezu v kritickém místě zabraňují prolomení trupu splácnutím průřezu 17

18 Poloskořepinový trup Systém podélných a příčných prvků významná část zatížení je přenášena podélnými prvky Zvláštním případ použití duralových podélných prvků s kompozitním potahem,kombinovaná poloskořepina 18

19 Sendvičová skořepina Použití pěnového sendviče na potah i hlavní přepážky V zadní části systém příčných podpěrných prstenců,slouží i k technologickému dělení sendvičových potahů 19

20 Sendvičová skořepina Použití pěnového sendviče na potah i hlavní přepážky,menší počet příčných prvků Použití různých druhů pěn,nutné z hlediska tvarování sendviče ve dvou rovinách,použití voštiny v oblasti nádrže 20

21 Sendvičová skořepina Použití nomexové voštiny na potah i hlavní přepážky,minimální počet přepážek Konstrukce nadělena z hlediska možnosti amatérské stavby 21

22 Sendvičová skořepina s podélnými prvky Sendvičový potah rozdělen kromě přepážek i podélnými prvky Podélné prvky nepřenášejí primárně zatížení,ale dělí sendvič na menší pole 22

23 Sendvičová skořepina bezpečnostní hlediska Sendvičová skořepiny výhodně přenáší dynamická zatížení při havarijních případech-pádové zkoušky Použití bezpečnostních prvků jako vložený bezpečnostní kokpit 23

24 Konstrukce ocasních ploch Prakticky obdobná jako křídlo Sendvičový potah s několika nosníky a různým počtem silových žeber zavádějících osamělé síly a podpírající potah 24

25 Konstrukční řešení spojů a připojovacích bodů kompozitových částí U většiny tenkostěnných konstrukcí tak i u laminátů je jedním sklíčových problémů zavedení a další rozvedení velkých osamělých sil do, případně prvků spojujících jednotlivé části laminátových dílů. Rozhodující spoje na konstrukci letounu -spojení křídlo trup -přípojení VOP k trupu -pohyblivé závěsy křidélek a klapek -závěsy kormidel VOP a SOP -připojovací konsoly řízení atd. 25

26 Spojení křídlo trup Spojení křídla a trupu je prakticky nejzatíženějším silovým uzlem letounu a jeho řešení v oblasti laminátových konstrukcí je dáno mnohem problematičtějším zaváděním velkých osových sil do laminátu oproti třeba klasickým kovovým konstrukcím.postupně se vyvinulo několik běžně používaných spojení. -průběžné nedělené křídlo -dělené křídlo spojené pomocí prodloužených hlavních nosníků křídla (krakorců) a pomocných kování na kořenovém žebru typické spojení křídel větroňů -dělené křídlo spojené s trupem pomocí hlavních kování umístěných na hlavním nosníku křídla -varianty na výše uvedená základní propojení Všechny tyto typy spojení křídla s trupem musí zajistit základní podmínku spoje křídlo-trup a to jeho vzájemnou nehybnost. To vyžaduje, aby ve spojení jedné části vůči druhé bylo odňato 6 stupňů volnosti, protože každé volné těleso v prostoru má obecně možnost ve směru tří souřadných os a možnost otáčení kolem těchto os.atd. 26

27 Průběžné nedělené křídlo Tento spoj je z hlediska pevnostního nejvhodnější i nejjednodušší, poměrně jednoduše se i realizuje konstrukčně. Křídlo je nedělené obě poloviny jsou v celku nebo minimálně propojeny hlavním nosníkem. Výhodou je zavádění malých sil do trupu což umožňuje velice lehkou a subtilní konstrukci spojení. Do trupu se nezavádí žádné ohybové momenty. Tento druh spoje vychází nejlehčí Ohybové momenty v obou polovinách křídla jsou přenášeny jedním nebo dvěma průběžnými nosníky jejich průběh v části procházející trupem je konstantní.ohybové momenty Mx obou polovin křídla působí na jednom nosníku proti sobě navzájem se ruší a tak se kromě nesymetrických zatížení křídla nepřenášejí od nich žádné zatížení do trupu. Na trup působí pouze posouvající síly Ty, Tx, Tz pomocí reakcí v kováních. Kroutící moment Mz a ohybový moment My v tětivě křídla jsou zachyceny reakcemi dvojic sil v kováních na poměrně velkých ramenech, takže reakce zaváděné do trupu jsou poměrně malé. Spojení je většinou realizováno pomocí kování umístěných na hlavním nosníku křídla a pomocným kováním na kořenovém žebru. Podobného efektu lze dosáhnout i zalepením celého křídla jako celku do trupu. 27

28 Průběžné křídlo akrobatické letouny-smíšená Obě poloviny křídla jsou spojeny průběžným nosníkem, na kterém jsou vmístě bočnic trupu zalaminovány pouzdra, skrz které prochází dva čepy rovnoběžné se směrem letu, které propojují křídlo s kováními na trupu.na kořenovém žebru je umístěno další pomocné plechové kování s čepem ve směru letu. Ohybový moment Mx se v symetrických případech nepřenáší, v nesymetrických případech se přenáší dvojicí sil na velkém rameni mezi čepy na nosníku, posouvající síla Ty zachycena přímo v čepech na nosnících. Krut je zachycen dvojicí sil na hlavních čepech a pomocném kování stejně jako ohybový moment v rovině křídla My. Posouvající síla v tětivě křídla Tx je zachycena opřením nosníku o kování trupu 28

29 Průběžné křídlo celokompozitový turistický letoun Nosník je průběžný otevřeným tunelem v trupu a zachycen k přepážce 2 čepy s osou ve směru letu. Čepy jsou přímo v kovových pouzdrech na stojině nosníku. Zadní pomocný nosník je zachycen k trupu kloubově jedním čepem v šroubovaném kovovém kování 29

30 Dělené křídlo s krakorci Tento typ spojení našel poměrně široké uplatnění i u sportovních letadel a letedel kategorie UL, protože umožňuje se vyhnout problematickému zavádění velkých sil do laminátové skořepiny trupu jako u průběžného křídla a přitom umožňuje snadnou rozebíratelnost spojení. Z hlediska pevnosti se jedná o vytvoření jakéhosi pseudo průběžného křídla.obě poloviny jsou propojeny prodlouženým hlavním nosníkem (krakorcem), který vyčnívá z každé poloviny křídla a je svým koncem zaveden do protějšího kořenového žebra.proti vzájemnému posunutí ve směru z jsou obě poloviny křídla sčepovány čepem v ose letounu, který prochází pouzdrem v obou krakorcích.jeho orientace je ve směru letu. Na kořenovém žebru jsou umístěny dvě kování většinou čepy orientované kolmo na směr letu, které slouží k přenosu posouvajících sil a kroutícího momentu. Ohybový moment Mx se u takto propojeného křídla přenáší dvojicí sil realizovaných na velkém rameni mezi zapichnutím krakorce a kořenovým žebrem, u symetrických případů se tyto dvojice sil s obou polovin křídla navzájem eliminují. Ohybový moment v tětivě křídla My je zachycen dvojicí sil mezi čepy na kořenovém žebru stejně jako kroutící moment křídla Mz (bývá nutné jejich axiální zajištění). U všech spojení čepů i zavedení krakorců, bývá snaha je realizovat jako kloubové spojení. Posouvající síly Tx i Ty se rozdělí na oba čepy na kořenovém žebru. Pozornost musíme věnovat řádově 2-5 násobnému zvětšení posouvající síly na krakorci (podle rozteče kořenových žeber), díky zachycení ohybového momentu dvojicí sil. Toto musí být zohledněno při dimenzování a díky tomu a zdvojení nosníků ve střední části vychází tento typ hmotnostně nepříznivěji než průběžné křídlo. 30

31 Dělené křídloul letouny-samba,sting Sting-kloubové spojení kořenové žebro trup pomocí kulových čepů a kulových misek.zavedení krakorce do kořenového žebra je realizováno pomocí prstýnku s kulovou površkou. Závěsy v trupu jsou stejně jako u větroňů propojeny pomocí ocelových trubek Lambada-Kloubového spojení mezi křídlem a trupem je dosahováno poměrně úzkými styčnými plochami mezi čepy na křídlech a kovovými pouzdry v trupu, ve spojení s deformacemi žebra se toto spojení v úzkém rozsahu natočení křídla daného deformacemi chová jako dostatečný kloub. Pouzdra v trupu jsou propojena pouze laminátovými 31

32 Dělené křídlo kluzáky Schempp-Hirth. Krakorec není na konci stažen do prstence s kulovou plochou, ale nosník pokračuje přes trup ve své plné stavební výšce a do jeho koncové hrany je zalaminován čep, který je zapíchnut do kloubového ložiska v protějším kořenovém žebru.stejně je realizováno kloubové spojení na kořenovém žebru, čep v kloubovém ložisku G304 Z jedné poloviny křídla ční krakorec ve tvaru jako je na obrázku, z druhé poloviny křídla je krakorec rozdvojen do vidlice a zakončen čepy, které jsou zavedeny do pouzder na protějším kořenovém žebru. Toto spojení je značně těžké a prakticky se již nepoužívá. 32

33 Dělené křídlo motorové letouny Qualt 200- krakorce nejsou propojeny vzájemným zavedením do protějších kořenových žeber, ale jsou spojeny dvojicí čepů orientovaný rovnoběžně se směrem letu. Nevýhodou této koncepce je, že ohybový moment Mx není zaváděn dvojicí vzájemně se eliminujících sil na rameni mezi kořenovými žebry, ale pouze na menším rameni mezi oběma čepy, což vede ke zvýšenému zatížení krakorce posouvajícími silami Europa- krakorce křídla jsou propojeny dvojicí čepů, ale přenos posouvajících sil křídlo trup a kroutícího momentu je realizován pouze pomocným závěsem na kořenovém žebru a opřením nosníku křídla do průchozího kování na trupu. Ohybový moment Mx je zaváděn dvojicí navzájem eliminujících se sil v čepech spojujících krakorce křídla.neurčitost tohoto spoje pro výpočet je značně zvýšena propojení krakorců navzájem a současně i se zesílenou přepážkou v trupu. Ohybový moment My je zaváděn dvojicí sil na pomocném kování a čepech krakorce propojených s přepážkou trupu. Kroutící moment je zaváděn dvojicí sil na pomocném kování a v opření krakorce do trupu. Posouvající síly Ty, Tx se rozdělí do pomocného kování a opření krakorce v trupu 33

34 Dělené křídlo motorové letouny Lancair Křídlo je děleno ve větší vzdálenosti od trupu na letounu je vytvořen poměrně mohutný centroplán. Do tohoto centroplánu, který obsahuje nosník tvaru C je uchycen krakorec vyčnívající z vnějšího křídla takovým způsobem, že je zasunut do C nosníku a propojen s tímto nosníkem dvěma čepy orientovanými ve směru letu. Další spoj obstarává pomocné kování na kořenovém žebru vnější části křídla a centroplánu. Nevýhodou je zavádění ohybového momentu Mx dvojicí sil na menším rameni než je u předchozího spojení zatížení tak vyrostou oproti průběžnému křídlu řádově asi 5x. Obě poloviny křídla nejsou vzájemně krakorci propojeny, ale reakce v čepech význačně zatěžují centroplán, který musí být na tato zatížení dimensován 34

35 Dělené křídlo s kováním na hlavním nosníku. Tento spoj křídla je v dané kategorii běžně používán u kovových nebo dřevěných konstrukcí křídla. U se prakticky nevyskytuje, protože zavádíme do několikanásobně vyšší zatížení než u dříve popsaných spojů.běžně tento spoj vypadá následujícím způsobem: tvoří jej dvojice ok propojená do pásnic hlavního nosníku a pomocný závěs na kořenovém žebru. Ohybový moment Mx je do trupu převáděn dvojicí sil v okách na hlavním nosníku Na rameni rovnajícím se vzdálenosti ok nosníku (maximálně výška nosníku) a to je důvod extrémního zvýšení zatížení, protože tato vzdálenost je řádově 3-7x nižší než rameno sil při způsobu spojení krakorci a tomu přímo úměrně odpovídá zvýšené zatížení. Ohybový moment My a krut Mz je zaváděn dvojicí sil na rameni mezi hlavními oky a pomocným kováním. Posouvající síly Tx aty se rozdělí podle orientace čepů v okách na hlavní oka a pomocné kování. Pozornost musíme věnovat řádově 2-5 násobnému zvětšení posouvající síly na krakorci 35

36 Dělené křídlo se závěsy kompozitové Když hledáme ekvivalentní spojení kompozitové oky u letounů podobné kategorie, tak jej prakticky nenacházíme. Určitou analogií mohou být kompozitová oka použitá na rotorových listech lehkých vrtulníků jak tato oka mohou vypadat je uvedeno na následujících obrázcích. 36

37 Porovnání spojení křídlo trup průběžné nedělené křídlo Tento typ vychází v ch z hlediska pevnostního i konstrukčního nejjednodušší a nejlehčí. Nepřekonatelným problémem je ovšem jeho rozebiratelnost a velké přepravní rozměry dělené křídlo spojené pomocí prodloužených hlavních nosníků křídla (krakorců) a pomocných kování na kořenovém žebru typické spojení křídel větroňů Z hlediska zatížení můžeme sledovat oproti průběžnému křídlu růst na % To spolu se zdvojením nosníků ve trupové části přináší váhové přísrůstky oproti předchozí konstrukci.významnou výhodou je snadná rozebiratelnost a malé manipulační rozměry.. dělené křídlo spojené s trupem pomocí hlavních kování umístěných na hlavním nosníku křídla Z hlediska zatížení můžeme sledovat oproti průběžnému křídlu růst na 700% Oproti křídlu s krakorci můžeme ovšem docílit významné váhové úspory v řádu asi 7%, rozebiratelnost tohoto spojení je dostatečná, malé manipulační rozměry zůstávají zachovány 37

38 Spojení trup-vop Dalším vysoce zatíženým spojem je spoj trupu a VOP Opomineme-li spojení realizované vlepením celé výškovky do trupu. Je spoj realizován většinou pomocí tří čepů a to formou kovového vkládaného kování nebo jsou čepy přímo součástí laminátové trupu.. 38

39 Závěsy klapek a křidélek Další skupinou spojů jsou spoje zajišťující pohyblivé propojení kormidel klapek a křidélek ke křídlu. Tyto spoje jsou řádově méně zatíženy než spoje předchozí,ale jsou namáhány podstatně větším počtem zatěžovacích cyklů. Řešeny jsou většinou jako závěsy oko-čep,které jsou vyrobeny buďto z kovových materiálů, nebo jsou na ně použity lamináty.na laminátové závěsy se používá uhlík i sklo. Více konzervativní přístup a tedy použití šroubovaných kovových závěsů vidíme u motorových letounů 39

40 Závěsy klapek a křidélek 40

41 Závěsy kormidel VOP a SOP Dalšími pohyblivými spoji jsou závěsy kormidel VOP a SOP. Tyto spoje jsou opět realizovány formou spoje oko čep pomocí kovových přišroubovaných kování, nebo vlaminovanými závěsy ze skla nebo uhlíku. 41

42 Připojovací konsoly Dalšími pohyblivými spoji jsou závěsy kormidel VOP a SOP. Tyto spoje jsou opět realizovány formou spoje oko čep pomocí kovových přišroubovaných kování, nebo vlaminovanými závěsy ze skla nebo uhlíku. 42