![]() КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Выбор материала конструкцииСтр 1 из 3Следующая ⇒ 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 Площадь
Подставив Отношение 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 В настоящее время в самолетостроении 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. В таблице, приведённой ниже, приведены характеристики удельной прочности и удельной жесткости магниевых, алюминиевых, титановых сплавов и сталей.
При температурах до Из них изготовляются обшивка, лонжероны, стрингеры, нервюры, шпангоуты, различные кронштейны. Большие по размерам нагруженные детали – кронштейны, корпусы колес и т.п., а также многие детали управления изготавливаются из магниевых сплавов. Сильно нагруженные детали шасси, узлы крепления агрегатов, пояса лонжеронов в корневых сечениях и т.п. изготовляются из легированных высококачественных сталей. Применение титановых сплавов в этом диапазоне температур, несмотря на их высокую удельную прочность, не является целесообразным из-за их относительно высокой стоимости. При температурах
На рисунке приведены зависимости
Применение композиционных материалов в конструкции позволяет значительно снизить ее массу.
Композиционные материалы (композиты) образуются материалом, непрерывно распределенным по объему и называемым матрицей, и материалом распределенным по объему с выраженными границами, называемым армирующим. Главное достоинство композитов заключается в том, что они позволяют создавать изделия более прочные и легкие, чем из металлов. В силовых конструкциях это удается сделать за счет их более высокой удельной прочности, а в несиловых – благодаря их меньшей плотности. В конструкции самолетов наибольшее применение получили композиты с армированием волокнами материалов, обладающих высокой удельной прочностью и жесткостью. В качестве матрицы используются чаще всего искусственные смолы. Материалы с матрицей из искусственных полимерных смол называются полимерными композиционными материалами. Армирующие волокна изготавливаются из стекла, углерода, бора и других природных и искусственных материалов. Удельные механические характеристики лучших композиционных материалов в несколько раз превышают соответствующие характеристики металлов и их сплавов. Применение этих материалов в конструкции агрегатов самолетов и их элементов, нагруженных большими удельными нагрузками, позволяет существенно снизить массу и увеличить жесткость конструкции. Путем соответствующей ориентации расположения волокон из различных материалов в слоях, образующих композиционный материал, можно варьировать необходимые прочностные и упругие его свойства в заданном направлении. Применение композиционных материалов с более высокими, чем у металлов, механическими свойствами позволяет уменьшить на 20...40% массу конструкции, повысить жесткость конструкции в нужном направлении и таким образом улучшить аэроупругие характеристики конструкции. Сочетание композиционных материалов с металлом позволяет воспринимать сдвигающие нагрузки, которые плохо переносит полимерная матрица. Однако композиционные материалы имеют ряд существенных недостатков: – высокая стоимость материала; – большой разброс механических характеристик; – уменьшенная прочность в поперечном направлении однонаправленных материалов; – снижение прочности при укладке слоев волокон под разными углами; – повышенная чувствительность к концентраторам напряжений (к отверстиям для механического крепежа, производственным дефектам и эксплуатационным повреждениям); – снижение прочности при наличии влаги в полимерной матрице; – возможность нарушения сплошности материала из-за появления и развития трещин в матрице.
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. Материалы с матрицей из искусственных смол носят название полимерных композиционных материалов. Из этих материалов в конструкции самолетов нашли применение стекло-, угле- и боропластики.
Стеклопластики целесообразно использовать для деталей конструкционного назначения, работающих преимущественно на растяжение при температурах, не превышающих 100...150 Углепластики обладают высоким модулем упругости, превышающим модуль упругости алюминиевых сплавов примерно в два раза. Из них изготовляют обшивку, панели, подкрепляющие элементы силового набора планера самолета. Такие конструкции работают надежно в диапазоне температур до 200 Из полимерных материалов самыми высокими прочностными и жесткостными характеристиками обладают боропластики. Модуль упругости боропластиков в 3,0...3,5 раза превышает модуль упругости алюминиевых сплавов. Кроме того, боропластики имеют высокий предел динамической и статической выносливости, повышенную тепло- и электропроводность. В сравнении с углепластиками они обладают повышенной (в 2,0...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 т.п. Боропластики сохраняют высокие механические характеристики до 200...300 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. Так, композиционные материалы с алюминиевой матрицей и бороволокном с плотностью Величина их удельной прочности Широкое использование композиционных материалов, особенно на основе бороволокна, ограничивается их пока высокой стоимостью.
|