¿Alguien sabe cuál es la estructura de un avión?
Los principios básicos de la mecánica estructural de aeronaves también son aplicables a otras aeronaves. Sus disciplinas básicas incluyen estática, mecánica de puentes, teoría de la estabilidad estructural, mecánica de placas y carcasas, mecánica computacional, etc. Sin embargo, varios aviones, especialmente las naves espaciales y los cohetes, también tienen sus propios problemas estructurales especiales. La mecánica estructural clásica de aviones se puede dividir en mecánica estructural de varillas y mecánica estructural de paredes delgadas según el tipo de estructura.
[Editar este párrafo] Mecánica estructural del sistema de varillas
En la estructura del sistema de varillas, la mecánica estructural de la aeronave es básicamente la misma que la mecánica de las estructuras generales (como puentes y edificios). Se trata de estructuras estáticas y estáticamente determinadas. La forma de resolver el problema es satisfacer las condiciones de equilibrio estático y coordinación de deformación; el método de energía mínima se puede utilizar para resolver problemas estructurales estáticamente determinados para simplificar el problema. En las primeras etapas de la mecánica estructural de sistemas de varillas, existían problemas como viga-columna, torsión y estabilidad.
Las vigas y columnas son elementos que soportan tanto flexión como presión. Este tipo de varilla produce deflexión por flexión bajo la acción de una fuerza lateral, lo que hace que la presión axial genere momentos de flexión adicionales, aumentando así la flexión lateral. Por lo tanto, es necesario considerar los efectos combinados de la fuerza lateral y la presión axial para encontrar el momento flector verdadero utilizado en el diseño.
En la etapa inicial de la torsión, el ala de la viga soporta principalmente el torque y la viga tiene una sección transversal sólida no circular, por lo que la rigidez torsional a menudo es insuficiente, lo que se convierte en un problema importante. La tensión y la deformación del eje de una viga de sección transversal sólida bajo torsión se calculan principalmente a partir de los resultados de pruebas de simulación de película delgada en mecánica elástica, que son más precisos que los resultados de los cálculos de mecánica de materiales.
El problema de estabilidad de la estructura del sistema de barras estabilizadoras es principalmente el pandeo de la columna recta, incluyendo problemas complejos como soporte elástico, flexión e inestabilidad torsional.
[Editar este párrafo] Mecánica de estructuras de paredes delgadas
En estructuras de paredes delgadas, las varillas están sujetas principalmente a fuerzas axiales, y las placas están sujetas principalmente a fuerzas de corte. Las cuestiones básicas son la torsión, el retraso por corte, el pandeo, el ancho efectivo, el campo de tensión y la cámara de presión.
La estructura de paredes delgadas de sección cerrada torsionalmente tiene una gran rigidez torsional y se usa ampliamente en estructuras de aviones. El esfuerzo cortante τ y el ángulo de torsión relativo θ por unidad de longitud de una estructura de paredes delgadas o un tubo de paredes delgadas con sección transversal de una sola cavidad cerrada bajo la acción del torque son:
t = t/2 en θ =TS/4A^2Gt
Donde t es el torque, a es el área encerrada por la línea central de la pared delgada, t es el espesor de la pared de la tubería, g es el módulo de corte del material y s es el perímetro de la línea central de pared delgada.
Las estructuras de paredes delgadas con retraso por corte tienen grandes deformaciones por corte, y el supuesto de sección plana en la teoría de vigas de ingeniería a menudo ya no es correcto. Cuando la sección del ala se mueve aleatoriamente hacia la raíz del ala, el aumento en el esfuerzo normal de la armadura en el medio de la viga cajón va por detrás del aumento en el esfuerzo normal del ala en el larguero del ala.
El pandeo de estructuras de paredes delgadas adopta muchas formas. No hay problemas de pandeo más que un simple estiramiento. La placa delgada se comprime y se corta en el plano medio de la placa, la viga de paredes delgadas se somete a flexión y torsión, y la carcasa de paredes delgadas se somete a presión externa. La resistencia a la pandeo de los cilindros bajo presión axial es mucho mayor que la de las placas planas. Los resultados de la teoría clásica se obtienen bajo el supuesto de que el cilindro tiene una forma geométrica ideal. De hecho, los valores experimentales son mucho más bajos que los valores teóricos debido a la influencia de los defectos iniciales y las condiciones de los bordes.
Una placa con un ancho efectivo puede seguir resistiendo la presión axial después del pandeo. Debido a las limitaciones de los soportes, las placas delgadas cercanas a las vigas o alas longitudinales no pueden ser cóncavas y convexas libremente, por lo que pueden resistir eficazmente la presión axial, mientras que las placas delgadas alejadas de los soportes en ambos lados pueden ser cóncavas y convexas libremente. convexo y apenas puede soportar la presión axial. Generalmente se cree que las placas delgadas dentro del ancho efectivo resistirán la compresión axial de las vigas largas a las que están conectadas hasta que las columnas rectas combinadas alcancen nuevamente su carga crítica y la estructura finalmente se destruya. Se puede considerar que las placas delgadas fuera del ancho efectivo ya no están sometidas a tensión. La fórmula empírica del ancho efectivo es:
be=1.9(√E/σ)t
donde e es el módulo elástico del material y σ es la presión axial. Be ≈ (30 ~ 40) t se puede utilizar para aleaciones de aluminio de uso común. En otras palabras, la pared delgada no se destruye cuando se vuelve inestable, pero la distribución de tensiones cambia y toda la estructura continúa soportando la carga hasta que se destruye toda la estructura.
El alma de una viga de campo traccionado puede continuar soportando cargas después de una falla por cortante. En este momento, el modo de tensión cambia a estiramiento oblicuo a lo largo de la dirección del pico y valle de la corrugación, y la viga de placa delgada se convierte en una estructura de celosía, llamada viga de campo de tensión.
En la viga de campo traccionado, las barras de borde superior e inferior sirven como parte de la armadura para soportar la tensión y compresión horizontal, y también sirven como vigas continuas para soportar la tensión centrípeta del alma. El valor último de la tensión de la red es el límite elástico del material.
Las tensiones de película longitudinal y circunferencial TL y Th generadas cuando la cámara de presión se somete a la diferencia de presión interna y externa P se pueden obtener según condiciones normales de equilibrio:
Th/Rh =TL/rL=P
Donde rh y rL son los radios de curvatura principales de la cabina a lo largo de la dirección circunferencial y longitudinal respectivamente.
Cuando la cabina tiene un hueco para ventana o puerta, se suele reforzar la periferia del hueco para que la tensión de la membrana alejada del borde del hueco no cambie lo máximo posible, es decir, el refuerzo alrededor del mismo. El borde del agujero puede simplemente reemplazar la parte excavada del agujero. Este agujero se llama agujero neutro. Reforzar demasiado los bordes de los agujeros no es necesariamente beneficioso y los agujeros neutros no son la única medida de diseño.
Tendencias de desarrollo Con los cambios en las estructuras de las aeronaves y el desarrollo de la mecánica computacional moderna utilizando tecnología informática, el contenido de la mecánica estructural de las aeronaves también se desarrolla y actualiza constantemente.
El método de elementos finitos se ha utilizado ampliamente en el análisis estructural de aeronaves y otras aeronaves, proporcionando un medio rápido y preciso para análisis estructurales complejos. Se han resuelto muchos problemas estáticamente indeterminados que en el pasado se consideraban difíciles de resolver en mecánica estructural. En los primeros días de la mecánica estructural de aviones, dominaba la estática. El análisis de accidentes de aviación plantea una serie de temas a la mecánica estructural, como son la aeroelasticidad, fatiga y fractura, resistencia térmica, etc. Estas disciplinas, que originalmente pertenecían a la mecánica estructural de aviones, gradualmente se convirtieron en ramas independientes. Además, han surgido algunas ramas nuevas, como los métodos de optimización, la mecánica de materiales compuestos y la mecánica estructural estadística.