Конструкции, или почему не ломаются вещи | Страница 55 | Онлайн-библиотека

Подвесные мосты Стефенсона оказались неудачными из-за своей излишней гибкости. К тому же адмиралтейство настаивало, и не без оснований, на тридцатиметровой высоте пролета, чтобы под мостом могли проходить корабли. Удовлетворить требованиям как жесткости, так и высоты можно было лишь единственным путем - спроектировав мост балочного типа невиданной до этого длины. По ряду соображений наилучшим вариантом казалась балка в форме трубы, собранная из листовой стали, внутри которой двигался бы поезд. Длина каждой секции должна была составлять около 140 м.

Вскоре стало очевидным, что труднее всего справиться с проблемой устойчивости стальных панелей, образующих верхнюю, сжатую сторону балки. Для простых панелей и стержней формула Эйлера является точной, но здесь речь шла о мостовых балках достаточно сложной формы, для расчета которых в то время не было еще соответствующей теории. Выход был только один - эксперименты на моделях. Как и можно было ожидать, результаты оказались довольно путаными и ненадежными, причем до такой степени, что все три проектировщика перессорились между собой. Казалось, их партнерство распадется, так и не породив конструкции действительно надежного моста. В конце концов порешили делать для моста клетчатые коробчатые балки (рис. 145). Ко всеобщему облегчению, мост оказался удачным и служит по сей день.

Рис. 145. Балка в виде трубы коробчатого сечения (мост "Британия").

Со времен Стефенсона проделано огромное количество математических расчетов устойчивости тонких оболочек, но проектирование таких конструкций все еще сопровождается значительно большей, чем обычно, неопределенностью. Поэтому разработка ответственных конструкций такого типа может обходиться достаточно дорого из-за возможных натурных испытаний в процессе проектирования и доводки.

Трубы, корабли и бамбук, или кое-что о локальной потере устойчивости

Согласно Эйлеру, нагрузка, при которой стержень теряет устойчивость, определяется величиной EI/L², и поэтому критические нагрузки длинных колонн на сжатие обычно очень и очень малы. Единственное, что можно здесь сделать, - это увеличивать EI по возможности пропорционально L². Для большинства материалов модуль упругости Юнга Е практически постоянен, так что в действительности мы можем лишь увеличивать момент инерции поперечного сечения I. Это значит, что колонны следует делать толще. Именно так и поступают при использовании каменной кладки, например в мощных колоннах дорических храмов. Но вес при этом получается чрезмерно большим, и если мы хотим сделать легкую конструкцию, то должны каким-то образом развить поперечное сечение. Иногда его делают в форме швеллера, а иногда придают коробчатую форму. Но, как правило, лучшим и наиболее эффективным оказывается стержень в виде трубы.

Трубы очень популярны не только среди инженеров - природа тоже повсеместно отдает предпочтение трубчатым стержням. Однако труба при сжатии может терять устойчивость, и происходит это двумя путями. Один путь мы уже описали - это эйлерова, или длинноволновая, форма выпучивания. Другой путь - коротковолновая форма выпучивания, когда в каком-то месте на стенке трубы образуются вмятины и выпучины. Если радиус трубы велик, а стенки тонки, труба может быть совершенно устойчива к длинноволновой форме выпучивания, но она выйдет из строя из-за локального сморщивания (рис. 146). Это легко продемонстрировать на примере тонкостенного мундштука папиросы. Именно этот эффект накладывает ограничения на использование простых труб и тонкостенных цилиндров при сжатии.

Рис. 146. Локальная потеря устойчивости в тонкостенной трубе при осевом сжатии.

Обычный способ борьбы с потерей устойчивости такого типа состоит в подкреплении стенок конструкции с помощью таких элементов, как шпангоуты и стрингеры и т.п. Шпангоуты - это ребра жесткости, идущие по периметру сечения, а ребра жесткости, идущие в продольном направлении, - это стрингеры. Жесткость корпуса корабля чаще всего увеличивают с помощью шпангоутов и переборок, хотя с недавних пор большие танкеры строят по системе Ишервуда с использованием продольных стрингеров. Сложная оболочечная конструкция, подобная фюзеляжу самолета, обычно подкрепляется и стрингерами, и шпангоутами. Пустотелые стебли травы и бамбука, которые имеют тенденцию сплющиваться при изгибе, очень изящно подкреплены "узлами", или перегородками, размещенными через определенные интервалы по всей длине стебля (рис. 147 и 148).

Рис. 147. Два способа увеличения жесткости стеблей растений с целью предотвращения локальной потери устойчивости: а - продольные стрингеры; б - узлы, или перегородки, характерные для травы и бамбука.

Рис. 148. Подкрепленная конструкция корпуса судна, часто используемая в нефтяных танкерах.

Листья, сэндвичи и сотовые конструкции

Пластины, панели и оболочки широко используются и природой, и техникой, но, чем они протяженнее и тоньше, тем меньше их жесткость на изгиб и критические нагрузки потери устойчивости. В принципе все, что увеличивает жесткость стержня или пластины на изгиб, увеличивает и ее сопротивление выпучиванию при продольном сжатии. Один из методов повышения устойчивости состоит в установке панели или стержня с помощью тросов и растяжек (метод, никогда не используемый в растениях). Другой и, возможно, более предпочтительный метод состоит в устройстве ребер жесткости, гофрировании для использовании ячеистых конструкций.

Древесина имеет ячеистое строение, так же как и большинство других растительных тканей, среди которых следует обратить внимание на стенки стеблей травы и бамбука. Кроме того, в борьбе растения за существование важную роль играет конструктивная эффективность листьев, которые должны использовать для фотосинтеза как можно большую площадь своей поверхности при минимальных метаболических затратах. Лист - весьма важная конструкция типа панели. Чтобы увеличить свою жесткость при изгибе, листья используют большинство из известных конструкционных решений. Почти все листья имеют развитую систему ребер жесткости, в то время как пленки между ними представляют собой ячеистую структуру, увеличивающую жесткость; в некоторых случаях они, кроме того, и гофрированы. Вдобавок к этому жесткости листа как целого способствует осмотическое давление в нем сока.

В инженерных конструкциях жесткость панелей и оболочек увеличивается с помощью стрингеров и шпангоутов, которые приклеиваются, приклепываются или привариваются к обшивке, хотя это и не всегда самый простой или самый дешевый путь. Другой путь решения проблемы состоит в изготовлении оболочки из двух разнесенных слоев, пространство между которыми содержит возможно более легкий наполнитель. Конструкции такого типа называют "сэндвич".

Панели типа сэндвича впервые были использованы известным конструктором Эдвардом Бишопом, главным конструктором фирмы Хэвиленд. В 1930 г. он применил их в фюзеляже теперь уже забытого самолета "Комета". Возможно, более известно использование их в самолете "Москито", преемнике "Кометы". В обоих этих самолетах в качестве наполнителя использовалась легкая бальсовая древесина, а внешние слои сэндвича делались из прочной и тяжелой березовой фанеры, которая приклеивалась к наполнителю.

"Москито" был одним из наиболее удачных самолетов, но наполнитель из бальсы легко впитывал воду и гнил; кроме того, поставки этой довольно мягкой и хрупкой древесины тропического происхождения были ограничены, а ее качество не отличалось постоянством. Случилось, однако, так, что изыскание материалов для наполнителей панелей и оболочек типа сэндвича было стимулировано главным образом не этими обстоятельствами, а внедрением самолетных локаторов. Вращающуюся, или сканирующую, антенну локатора нужно было поместить внутри защитного куполообразного обтекателя. Естественно, что такой обтекатель должен был быть прозрачен для радиоволн высокой частоты, его следовало делать из какой-либо пластмассы, например из стеклопластика. Однако оказалось, что прозрачность оболочки обтекателя значительно увеличивается - по крайней мере теоретически - благодаря использованию материала типа сэндвича, толщина которого строго определяется длиной волны, на которой работает локатор, точно так же, как толщина поверхностной пленки в современной "просветленной" оптике определяется длиной волны видимого света.