Vleugel hoofdligger constructie
Een algemeen verhaal over hoofdliggers.
De hoofdligger is de ruggengraat van de vleugel. Het dient de dwarskrachten en buigmomenten op te nemen. De hoofdligger moet dus hoofdzakelijk buigstijf zijn!
De weerstandskrachten bij een op buiging belaste balk verdelen zich zoals in figuur 1.
Omdat het grootste deel van de krachten zich aan de buitenzijde bevinden, ligt het voor de hand om het binnenste zwakker en dus lichter te maken. Daarom wordt een hoofdligger meestal opgebouwd uit liggers en webbing. Hierop zijn ontelbare variaties gebouwd. (Aan de hoofdligger van een thermiekzwever wordt andere eisen gesteld dan die van een kunstvlucht zwever.) Het doel is altijd een zo licht en sterk mogelijke constructie te maken die de belastingen tijdens het vliegen kan doorstaan.
Wie een stijve vleugel wil bouwen en gewicht besparen, kan de hoofdligger met vezel composiet versterken. Daarbij moet ik opmerken dat glasvezel rovings minder geschikt zijn dan koolstof. In de vezelrichting heeft glasvezel een grotere rek dan hout! Dat betekent dat hout al zou breken terwijl de glasvezel nog lang niet volledig is uitgerekt.
De rek van hout en koolstofvezel is nagenoeg gelijk, ongeveer 0,5 tot 1% bij breukbelasting.
Het doel van een constructie uit verschillende werkstoffen moet zijn, de krachten te verdelen overeenkomstig de sterkte van het materiaal!
Bij een doosvormige constructie is het geen probleem een groef te creëren waarin de koolstof rovings gelegd kunnen worden.
(Figuur 2)
Worden de koolstof rovings niet gelijkmatig en recht verlegd, dan gebeurd het volgende:
- Eerst scheuren de recht verlegde rovings bij geringe rek, omdat die bijna alle krachten alleen moeten opnemen.
- Zijn die eerste rovings gescheurd, dan zullen de niet eerder belaste rovings de krachten overnemen en zo gaat het spel verder tot volledige breuk.
Bij glasvezel rovings gaat dat anders. De rek van de individuele rovings is bij gelijke belasting 5-6 keer groter dan bij koolstof rovings. Kleine onnauwkeurigheden bij het verleggen leiden niet gelijk tot scheuren. De gerekte rovings worden door de minder gerekte rovings ondersteund. Ze nemen een deel van de krachten over.
Houtkeuze
Houtsoorten voor vleugelliggers kunnen zijn:
- Grenen
- Vuren
- Sitka Spruce
- Douglas Fir
- Yellow Cedar
Vuren en grenen zijn makkelijk te verkrijgen in diverse afmetingen en daarom de meest gebruikte houtsoorten voor vleugelliggers.
Er dient gelet te worden op de volgende punten:
- jaarringen zo nauw mogelijk.
- geen krimpscheuren.
- geen harsgallen.
- geen kwasten (noesten).
- rechter vezelverloop, niet verdraaid.
- geen blauwschimmel.
- geen sporen van bederf, houtrot.
- geen reactiehout (drukhout).
Sterkte
De sterkte van gezond hout hangt direct samen met het soortelijk gewicht of beter gezegd de volumetrische massa, en deze is weer afhankelijk van het aantal jaarringen per centimeter dikte.
Lang geleden ben ik al begonnen met het bestuderen van een enorme hoeveelheid verschillende datasheets. De meeste ervan waren uit de begintijd van de vliegtuig houtbouw. De uitkomsten waren verrassend. Er waren bevindingen die vandaag zeker naar beneden bijgesteld moeten worden. Wat de te verwachten sterkte betreft schommelen de waardes boven ± 50 %.
In wezen wordt houtkwaliteit in drie groepen ingedeeld, hout van hoge, middel en lage kwaliteit c.q. sterkte.
(Figuur 3)
Het is vanzelfsprekend dat hout van hoge kwaliteit geen van de beschreven fouten heeft zoals scheuren, harsgallen of draaigroei.
Stand van de jaarringen ten opzichte van het breedste deel van de lat
Het hout zodanig gezaagd dat de jaarringen binnen 45° tot 90° ten opzichte van het oppervlak liggen is optimaal en wordt omschreven als kwartiers gezaagd.
Mijn ervaring is dat bij jaarringen met een maximale schuinte van 30° (ten opzichte van het oppervlak) en een jaarringafstand van minder dan 2 mm, geen noemenswaardige verschillen in sterke merkbaar is ten opzichte van optimaal gezaagde latjes.
Vezelhelling en draaigroei
De vezelhelling mag niet meer dan 1/20 zijn. Ook voor draaigroei geld een maximale afwijking van 1/20. Latjes met draaigroei hebben nog de nare eigenschap om krom te trekken. Hout is een natuurproduct en daarom is het bijna niet mogelijk latjes te zagen waarbij de jaarringen exact evenwijdig met de lengterichting van het werkstuk verlopen. Hout heeft in de verschillende vezelrichtingen ook andere eigenschappen.
De vezels zijn in lengterichting moeilijker samendrukbaar dan in dwarsrichting.
In de grafiek is de zien dat een vezelschuinte tot ca. 5° nagenoeg geen invloed heeft op de drukvastheid. Boven ca. 10° vezelhelling neemt de drukvastheid behoorlijk snel af.
(Figuur 4)
Uit de grafiek blijkt dat het belangrijk is om de vezelhelling binnen bepaalde grenzen te houden.
Nu wordt het duidelijk dat latjes die volgens de jaarringen tangentiaal gezaagd zijn (dosse gezaagd) de hoofdligger constructie gevaarlijk zwak kunnen maken. Zeker als de latjes erg dun zijn dan is de kans zeer groot dat de jaarringen van de lat weglopen.
(Figuur 5)
Gelamineerd hout
Omdat het bijna niet mogelijk is latjes te verkrijgen die over de hele lengte een optimaal vezelverloop hebben is een oplossing gevonden door gelamineerd hout te gebruiken. Gelamineerd hout is gemaakt van latjes die zodanig aan elkaar gelijmd zijn dat de vezelrichting van alle latjes gelijk is. Door alleen de beste latjes aan elkaar te lijmen is zo’n gelamineerde vleugelligger sterker dan een ligger gezaagd uit één stuk hout.
Liggers en webbing
Bij hoofdligger constructies hebben de liggers meestal uitsluitend de functie de druk- en trekkrachten uit de buigmomenten op zich te nemen en de webbing alle schuif- en dwarskrachten.
De sterkte van een hoofdligger hangt dus in grote mate af van de verbinding tussen liggers en webbing!
De webbing wordt voornamelijk door twee krachten belast: de schuifkrachten die in eerste instantie ontstaan door de dwarskrachten, plus de spanningen tussen ligger en webbing. Beide krachten zijn belangrijk. Hoge dwarskrachten kunnen bij relatief geringe buigmomenten en lage dwarskrachten bij hogere buigmomenten optreden. Het hangt er vanaf of de vleugel een grote of kleine spanwijdte heeft.
Hoofdligger rompverbinding
Is de hoofdligger optimaal geconstrueerd, dan heeft hij nog wel een verbinding met de romp nodig. Bij een vrijdragende vleugel treedt op deze plek de hoogste buiglast op. Ook hebben dwarskracht en torsiemoment daar de hoogste waarde. Dit probleem heeft een doorgaande hoofdligger voor beide vleugels niet, maar i.v.m. transport is het handig om de vleugel te delen.
Een oplossing is natuurlijk een vleugel middenstuk met doorlopende hoofdligger en op de uiteinden daarvan, waar de buiglast een stuk minder is, de buitenvleugels gemonteerd.
In één van mijn volgende projecten ga ik verder met het verhaal over hoofdligger rompaansluiting, waarbij het project zelf als voorbeeld wordt gebruikt.