При выборе материала конструкции необходимо учитывать целый ряд факторов: стоимость материала, возможность применения высокопроизводительных процессов обработки, однородность, неизменность механических свойств во всем возможном при эксплуатации диапазоне температур, долговечность.

Однако наибольшее внимание при выборе материала должно уделяться обеспечению необходимой прочности и жесткости конструкции при наименьшей массе. Критерием связывающим прочность и массу и позволяющим, следовательно, сравнивать различные материалы, является удельная прочность. Масса детали, имеющей площадь поперечного сечения F, длину и выполненной из материала с плотностью, будет m = Ftp.

Площадь F определяется действующей нагрузкой и допускаемым напряжением при рассматриваемом виде деформации. Так, при растяжении силой Р потребная площадь сечения детали где — предел прочности материала при растяжении. Отношение носит название удельной прочности при растяжении. Для каждого вида деформации есть свои выражения для удельной прочности.

Чем выше значение удельной прочности, тем меньше масса детали. Критерием, связывающим жесткость и массу, является удельная жесткость — отношение модуля упругости к плотности Ё/р. В настоящее время в само дето строении основными конструкционными материалами являются высокопрочные магниевые и алюминиевые сплавы, легированные стали и титановые сплавы.

В последнее время начали широко внедряться композиционные материалы. При выборе материала необходимо учитывать температурные условия, в которых работает конструкция. С ростом температуры удельная прочность и удельная жесткость материалов падают. При температурах до 200° С основными конструкционными материалами являются высокопрочные алюминиевые сплавы.

Из них изготовляются обшивка, лонжероны, стрингеры, нервюры, шпангоуты, различные кронштейны. Большие по размерам нагруженные детали — кронштейны, корпусы колее и т.п., а также многие детали управления изготавливаются из магниевых. Сильно нагруженные детали шасси, узлы крепления агрегатов, пояса лонжеронов в корневых сечениях и т.п. изготовляются из. легированных высококачественных сталей.

Читайте также  Требования к конструкции самолета

Применение титановых сплавов в этом диапазоне температур, несмотря на их высокую удельную прочность, не является целесообразным из-за их относительно высокой стоимости. При температурах 200…500° С лучшими конструкционными материалами являются титановые сплавы, а при температурах до 700° С — жаропрочные стали. Применение композиционных материалов в конструкции позволяет значительно снизить ее массу.

В настоящее время начинают широко использоваться в самолетостроении волокна стекла, углерода, бора и некоторых других материалов в соединении с так называемой матрицей, в качестве которой используются искусственные смолы; алюминий, магний, титан или их сплавы. Стеклопластики целесообразно использовать для деталей конструкционного назначения, работающих преимущественно на растяжение дни температурах, не превышающих 100-150 С.

Из них можно изготовлять лонжероны, нервюры и обшивку триммеров, сервокомпенсаторов, небольших, по размеру элеронов и рулей и т.п. Из них изготовляют обшивку, панели, подкрепляющие элементы силового набора планера самолета. Такие конструкции работают надежно в диапазоне температур до 200°С, а некоторые углепластики сохраняют высокие прочностные характеристики и до 300°С.

Из полимерных материалов самыми высокими прочностными и жест костными характеристиками обладают пластики. Модуль упругости пластиков в 3…3.5 раза превышает модуль упругости алюминиевых сплавов. Кроме того, боропластики имеют высокий предел динамической и статической выносливости, малую ползучесть и деформативность в направлении волокон, повышенную тепло- и электропроводность.

В сравнении с углепластиками они обладают повышенной (в 2..2,5 раза) прочностью при сжатии. Из боропластиков изготовляют панели обшивки, элементы силового набора, они используются для подкрепления металлических силовых элементов — лонжеронов, силовых нервюр, панелей и тл. Боропластики сохраняют высокие механические характеристики до 200..30О°С.

К недостаткам угле и боропластиков следует отнести сравнительно низкие значения удельной вязкости и прочности при сдвиге. Очень высокие механические характеристики имеют и композиционные материалы на основе металлов, армированных волокнами углерода и бора.

Читайте также  Классификация самолетов по назначению

Так, композиционные материалы с алюминиевой матрицей И бороволокном с плотностью р = 2,6…2,7 г/см имеют предел прочности при растяжении МПа и модуль упругости Е= 220…240 ГПа. Величина их удельной прочности более чем в два раза превышает этот показатель для алюминиевых сплавов, а диапазон температуры, при которой они сохраняют свои характеристики, повышается до450°С. Кроме того, металлическая матрица в отличие от полимерной хорошо воспринимает сдвигающие нагрузки.

Применение в конструкции несущих поверхностей самолета композиционных материалов благодаря их высокой жесткости позволяет улучшить флаттерные характеристики, при этом снижение массы тех элементов, где они используются, может достигнуть 40% и даже более. Широкое использование композиционных материалов, особенно на основе бороволокна, ограничивается их пока высокой стоимостью.

При выборе материала конструкции следует также учитывать и изменение его прочности при повторных нагрузках. Прочность всех материалов при повторных нагрузках существенно снижается. Это снижение происходит в разной степени для различных материалов, при этом оно будет тем больше, чем больше число нагружения и чем большей будет концентрация напряжений.

Повторяемость нагрузок и их величина зависят от назначения самолета, его летных характеристик, и условий эксплуатации. Прочность конструкции при повторных нагрузках носит название усталостной прочности. Под усталостным разрушением, материала понимают его разрушение в результате циклического воздействия напряжений. С ростом крейсерских, взлетных и посадочных скоростей увеличились динамические нагрузки конструкции самолета в полете, при взлете, посадке и рулетке.

Увеличение высоты полета привело к росту избыточного давления в герметических кабинах, что также вызывает циклическое нагружения конструкции самолета. Для скоростных самолетов с реактивными двигателями необходимо учитывать акустическую усталость, а для сверхзвуковых самолетов из-за аэродинамического нагрева — усталость, связанную с появлением температурных напряжений, и термическую усталость.

Читайте также  Внешние формы и нагрузки крыла

Предотвращение усталостных разрушений — одна из важнейших проблем в авиации. Повышение усталостной прочности конструкции может быть достигнуто несколькими способами. Наиболее эффективным способом является уменьшение действующих напряжений в элементах конструкции. Но использование этого способа приводит к значительному увеличению массы и применяется поэтому лишь для отдельных наиболее ответственных деталей.

Другими эффективными способами повышения усталостной прочности являются устранение концентраторов напряжений, ограничение скорости распространения трещин, создание конструкции с несколькими путями передачи нагрузок, правильный выбор материала конструкции. Широкое распространение для повышения усталостной прочности деталей получил метод упрочнения поверхностных слоев наклепом с помощью дробеструйной обработки.

Значительно повышают усталостную прочность и защитные покрытия. В последние годы с появлением очень мощных турбореактивных двигателей шум высокой интенсивности стал причиной разрушения отдельных деталей самолета. Основным источником шума является высокое давление, создаваемое турбулентностью воздушности потока. Уровень шума возрастает с увеличением скорости полета.

Проблема акустической усталости особенно важна для элементов и панелей конструкции, расположенных вблизи выхлопного сопла реактивных двигателей. Акустическая прочность у слоистых панелей обшивки с сотовым заполнителем выше, чем у эквивалентной однослойной обшивки. Детали, подверженные в процессе работы периодическому нагреву и охлаждению, иногда разрушаются в результате термической усталости.

На термическую усталость влияют главным образом коррозия, концентрация напряжений и структурные изменения материала при колебаниях температуры. От термической усталости могут разрушиться детали авиационных двигателей и некоторые детали конструкции самолета. Одним из эффективных способов повышения стойкости к термической усталости является защитное покрытие деталей.