بخشی از مقاله
چکیده
امروزه بیشتر هواپیماها به گونهای طراحی میشوند که در بر گیرنده خانوادهای از هواپیماها باشند. یک خانواده میتواند شامل هواپیماهایی با توانایی حمل مسافر، ترابری هوایی، آتشنشان، گشت دریایی و . . . باشد. استفاده از یک خانواده هواپیما با توانایی انجام ماموریتهای گوناگون، هزینههای طراحی، ساخت، تعمیر و نگهداری و . . . را به شدت کاهش خواهد داد. با توجه به این دیدگاه، طراحی و ساخت مشتقاتی از هواپیمای مسافربری ایران 140 به عنوان هواپیمای پایه، توسط شرکت صنایع هواپیماسازی ایران در دستور کار قرار گرفته است.
این شرکت، برای جامه عمل پوشاندن به تصمیم خود برای تغییر کاربری این هواپیمای مسافربری به عنوان هواپیمای باربری، ماموریتی با عنوان حمل بارهای تجاری بهوسیله کانتینرهای استاندارد LD3 را تعریف کرده است. این کانتینرهای استانداردکه در تمامی خطوط هوایی بهکار گرفته میشوند، کمک شایانی به تجاریسازی هواپیما خواهند نمود.
با توجه به تغییر کاربری این هواپیمای مسافربری به یک هواپیمای باربری که منجر به تغییر ماموریت و در نتیجه تغییر بارهای قابل حمل توسط آن خواهد شد، لازم است تا استحکام کف کابین آن با در نظر گرفتن قوانین واستانداردهای موجود، برای انجام ماموریتهای جدید مورد بررسی قرار گیرد. این بررسی شامل بررسی استحکامی پانلهای کف و ساختار سازهای کف کابین از جمله تیرهای طولی و عرضی خواهد بود. در این مقاله به بررسی استحکام تیرهای عرضی برای انجام این ماموریت پرداخته شده است.
1. مقدمه
سازه کف یک هواپیما شامل پانلهای ساندویچی، تیرهای طولی و تیرهای عرضی میباشد. تیرهای کف کابین هواپیما بخشی از سازه کف هواپیما میباشد که صندلی مسافران، آشپزخانهها، دستشوییها و هر نوع باری که بر روی کف هواپیما قرار میگیرد را تحمل خواهند نمود. تیرهای طولی هواپیما که ریلهایی دارای شکلی خاص میباشند و در طول هواپیما کشیده شدهاند، از روی تیرهای عرضی عبور کرده و به آنها متصل شدهاند. ریلهای طولی به ریلهای عرضی وصل شدهاند تا بارها را از صندلیها و سایر تجهیزاتی که به آنها وصل شده است، به تیرهای عرضی منتقل نموده و تضمین نماید که تیرهای عرضی برای مهار بارهای وارد بر کف کابین با یکدیگر همکاری مینمایند.
تیرهای عرضی و ریلهای طولی با کمک یکدیگر شبکهای در کف کابین ایجاد میکنند که بهوسیله پانل-هایی که به ریلهای طولی و تیرهای عرضی وصل شدهاند، پوشیده شده است. این پانلها همانند یک پرده دیافراگم همه بارهای داخل کابین را به این شبکه انتقال میدهند. به بیان دیگر مهمترین بخش سازه کف هواپیما که باید بارهای وارد بر کف کابین را تحمل نماید، تیرهای عرضی میباشد.
2. ساختار سازه کف هواپیمای ایران- [1] 140
همانگونه که در شکل 1 دیده می شود، تیرهای عرضی کف هواپیما در دو انتها بهوسیله فریمها و از زیر بهوسیله ستونها در جای خود مهار شدهاند. تیرهای عرضی کف هواپیما بخشی از سازه است که در نهایت بارهای وارد به سمت پایین را تحمل خواهند کرد. تیرهای عرضی در بیشتر هواپیماها به صورت ترکیبی از دو اکسترود به عنوان بالهای تیر و یک ورق به عنوان جان تیر تشکیل شدهاند. جان تیر به وسیله تقویتکنندههایی تقویت و بهوسیله سوراخهای سبککنندهای، سبکسازی شده است.
شکل -1 تیر عرضی هواپیمای مسافربری ایران - 140 و سطح مقطع تیر عرضی
3. چیدمانی کابین برای حمل کانتینرهای استاندارد
ماموریت درخواست شده برای این هواپیماجابجایی 5 کانتینرهای استاندارد به وزن 1250 کیلوگرم و با ابعاد 1/56 متر طول در 1/53 متر عرض میباشد.
شکل -2 چیدمانی کابین برای 5 کانتینر استاندارد LD3
4. حالتهای مانوری بحرانی
بهمنظوربررسی امکان انجام ماموریتهای جدید توسط هواپیمای پایه لازم است تا ابتدا یک مدل المان محدود از سازه هواپیما ساخته شده و استحکام سازه در حالتهای مانوری که برای کف کابین بحرانی هستند با در نظر گرفتن چیدمانی بار مورد بررسی قرار گیرد.بحرانیترین حالتی که برای طراحی در نظر گرفته میشود، حالت فرود اضطراری میباشد. در این حالت طبق قوانین FAR25.561 نیروهای نهایی اینرسی با مقادیر زیر و بهصورت جداگانه در نظر گرفته خواهند شد.
5. روشهای استحکامسنجی تیرهای کف کابین
طراحی تیرهای عرضی به گونهای که دیواره آن در برابر برش مقاوم - Shear Resistant - باشد، یکی از حالتهای طراحی تیر میباشد. حالت دیگر طراحی تیر در حالت کشش قطری کامل - Diagonal Tension - میباشد. یک تئوری دیگر حالتی بین دو حالت قبلی را بیان کرده و تیر را در حالتی با عنوان نیمه کششی - Semi-Tension Field - طراحی مینماید. سه حالت ممکن برای طراحی تیرهای عرضی در شکل 3 نشان داده شدهاند.
شکل -3 انواع دیوارههای برشی تیرها: .1 مقاوم در برابر برش .2 نیمه کشش قطری .3 کشش قطری کامل
توسعه روشهای طراحی دیوارههای تحت کشش قطری یکی از نمونههای برجستهی گذار از روشهای ناکارآمد در طراحی سازههای هوایی میباشد. در سازههای هوایی تیر با دیواره نازک تقویت شده کاربردهای فراوانی داردکه از آن جمله میتوان به ریبها، اسپارها، تیرهای کف کابین و . . . اشاره کرد. استفاده از توان استقامت این تیرها در برابر بارهای برشی پس از کمانش دیواره، ویژگی بارز این روش میباشد. نخستین بار این روش توسط واگنر در ناسا بررسی گردید
واگنر نشان داد که دیوارهها همراه با تقویت کنندههای متقاطع پس از کمانش دچار فروپاشی نمیشوند. در این دیوارهها پس از کمانش چینخوردگیهایی در راستای قطر پانل بهوجود می-آیدکه ناشی از کشش قطری میباشد و نیروهای فشاری نیز بهوسیله تقویت کنندههای اضافه شده به سازه، بالهای - Caps, Chords - تیر و اتصالات تحمل میشوند. سپس کوهن و پترسون در همین مرکز این روش را توسعه داده و روش کاربردی کشش قطری را ارایه نمودند
این روش در حقیقت حالت میانهای از دو روش میباشد که عبارتند از تیر مقاوم در برابر برش که در آن دیواره تیر اجازه هیچگونه کمانش را ندارد و روش کشش قطری خالص که سازه در حد نهایی کمانش قرار گرفته و با افزایش نیروی بسیار کوچکی دچار فروپاشی میگردد.
6. آنالیز تیرهای دارای دیواره با روش مقاوم به برش
1-6 کمانش دیواره
یک تیر یا یک پانل در برابر برش مقاوم خواهد بود، اگر دیواره کمانش نکند. تحت برش و خمش ترکیبی، حاشیه اطمینان کمانش دیواره از رابطه 1 بهدست خواهد آمد.
که در آن fb=MC/I، fs=V/ht و C فاصله تار خنثی تیر تا مرکز سطح ردیف اتصالات بال تحت فشار تیر به دیواره میباشد. Fs cr تنش کمانش برشی بحرانی دیواره و Fb cr تنش کمانش خمشی بحرانی دیواره میباشد - شکل . - 4
شکل -4 تنش کمانش برشی بحرانی و تنش کمانش خمشی بحرانی دیواره
.2-6 تنش برشی نهایی دیواره
بررسی استحکامهای زیر برای اطمینان از اینکه تنشهای دیواره از تواناییهای مجاز ماده بیشتر نباشد.
