Шпангоут

Шпангоут — это поперечный элемент силового набора корпуса судна, летательного аппарата или другого транспортного средства, обеспечивающий его поперечную жёсткость и формирующий обводы (форму) корпуса. Шпангоуты являются основой для крепления наружной обшивки и внутренних переборок, а также воспринимают нагрузки от давления воды, воздуха, массы груза и собственного веса конструкции.

История

Применение поперечных рёбер жёсткости в судостроении известно с древнейших времён. Первые шпангоуты изготавливались из цельных стволов деревьев и скреплялись с килем и обшивкой деревянными нагелями или кожаными ремнями. В античном Средиземноморье (финикийские, греческие, римские суда) шпангоуты уже имели стандартизированную форму и устанавливались по определённой схеме, что позволяло строить корабли длиной до 50 метров.

В эпоху Великих географических открытий (XV–XVI века) технология строительства деревянных судов достигла совершенства. Шпангоуты вырезались из дуба или вяза, а их количество и расположение рассчитывались на основе многовекового опыта. С переходом к железному и стальному судостроению в XIX веке шпангоуты стали изготавливать из металлического профиля (уголка, швеллера, двутавра), что позволило значительно увеличить прочность и долговечность корпусов.

В авиастроении шпангоуты появились вместе с первыми самолётами. Первоначально они выполнялись из дерева и ткани, а с 1930-х годов — из дюралюминия и стали. В современных летательных аппаратах шпангоуты изготавливаются из алюминиевых сплавов, титана и композитных материалов.

Классификация

Шпангоуты классифицируются по нескольким признакам.

По материалу изготовления

• Деревянные — используются в традиционном судостроении, при постройке яхт, шлюпок и исторических реплик. Изготавливаются из дуба, ясеня, лиственницы.
• Металлические — наиболее распространены в современном судостроении и авиастроении. Применяются сталь, алюминиевые сплавы, титан.
• Композитные — изготавливаются из стеклопластика, углепластика и других полимерных материалов, армированных волокном. Используются в спортивных судах, лёгких самолётах и планерах.

По конструкции

• Цельные — изготавливаются из одного куска материала (деревянный брус, металлическая штамповка).
• Составные — собираются из нескольких элементов (например, нижняя и верхняя части шпангоута, соединённые заклёпками или сваркой).
• Ферменные — имеют решётчатую конструкцию, обеспечивающую высокую жёсткость при малом весе. Применяются в авиации и скоростных судах.

По расположению

• Основные (нормальные) — устанавливаются по всей длине корпуса с постоянным или переменным шагом.
• Усиленные — располагаются в местах наибольших нагрузок: у машинного отделения, у киля, в районе грузовых люков, у подкосов шасси (в авиации).
• Рамные — более мощные шпангоуты, устанавливаемые через несколько основных для придания общей жёсткости корпусу.

По назначению

• Судовые — обеспечивают прочность корпуса корабля, формируют его обводы, служат для крепления настила палуб, переборок и обшивки.
• Авиационные — формируют фюзеляж, крылья и другие части летательного аппарата, воспринимают аэродинамические и инерционные нагрузки.
• Автомобильные — в кузовостроении (например, в каркасе кабины грузовика или автобуса) выполняют аналогичную функцию, но обычно называются поперечинами или усилителями.

Устройство и характеристики

Шпангоут представляет собой замкнутую или незамкнутую криволинейную деталь, повторяющую поперечное сечение корпуса. В судостроении различают мидель-шпангоут — самый широкий шпангоут, расположенный в средней части корпуса, и оконечностные шпангоуты — в носу и корме.

Основные геометрические характеристики шпангоута:

• высота (стрела прогиба) — расстояние от киля до палубы;
• ширина (полуширота) — расстояние от диаметральной плоскости до борта;
• кривизна — определяется обводами корпуса и может быть постоянной или переменной.

В авиастроении шпангоуты могут быть нормальными (устанавливаются с шагом 300–600 мм) и усиленными (в зоне крепления крыла, двигателей, шасси). Фюзеляж современных самолётов представляет собой балочно-стрингерную конструкцию, где шпангоуты работают совместно со стрингерами (продольными элементами) и обшивкой.

Применение

Судостроение

Шпангоуты — неотъемлемая часть корпуса любого плавучего средства, от небольшой лодки до океанского лайнера. Вместе с килем (продольной балкой) и стрингерами они образуют силовой каркас. На судах шпангоуты нумеруются от носа к корме (или наоборот), а их положение указывается в чертежах общего расположения. В России и странах бывшего СССР шпангоуты нумеруются от носа, при этом нулевой шпангоут часто совпадает с носовым перпендикуляром.

Авиастроение

В фюзеляже самолёта шпангоуты обеспечивают сохранение формы поперечного сечения и воспринимают нагрузки от избыточного давления в герметичных кабинах (для пассажирских лайнеров). В крыле шпангоуты (часто называемые нервюрами) формируют профиль и передают нагрузки от обшивки на лонжероны. В вертолётостроении шпангоуты используются в конструкции фюзеляжа и хвостовой балки.

Ракетостроение

В корпусах ракет-носителей и космических аппаратов шпангоуты (шпангоуты-стыки) служат для соединения отсеков и восприятия осевых нагрузок при старте и полёте. Они изготавливаются из алюминиевых и титановых сплавов, а также из композитов.

Машиностроение и строительство

В некоторых отраслях термин «шпангоут» применяется для обозначения поперечных рёбер жёсткости в металлических конструкциях (мосты, краны, опоры ЛЭП), а также в каркасах кузовов специальной техники и автобусов.

Интересные факты

• В старинном деревянном судостроении шпангоуты вырезались из кривых стволов деревьев, чтобы максимально соответствовать естественной кривизне корпуса. Такие шпангоуты назывались «кривулями» и ценились очень высоко.
• На парусных кораблях XVIII–XIX веков расстояние между шпангоутами (шпация) могло составлять всего 30–40 см, что делало корпус чрезвычайно прочным, но очень тяжёлым.
• В современном судостроении шпангоуты часто изготавливаются методом штамповки или гибки на специальных прессах, что позволяет получать детали сложной кривизны с высокой точностью.
• В авиации шпангоуты, как правило, не имеют постоянной кривизны по длине фюзеляжа — в носовой и хвостовой частях они более крутые, а в средней — более пологие.
• В русском языке слово «шпангоут» происходит от нидерландского spant или немецкого Spant — «ребро, каркас».

Источники

• А. Н. Крылов. Строительная механика корабля. — М.: Транспорт, 1985.
• В. И. Баранов, В. А. Гуляев, А. И. Половинкин. Конструкция самолётов. — М.: Машиностроение, 1991.
• ГОСТ 13641-80. Корпуса судов стальные. Термины и определения.
• В. П. Морозов. Судовые устройства и системы. — СПб.: Судостроение, 2003.
• Энциклопедия «Авиация». — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994.