第10讲—翼面结构(5)

1、2021-10-291 第第 十讲十讲2021-10-2924.8 机翼结构形式确定与结构布置机翼结构形式确定与结构布置一、机翼结构设计的内容一、机翼结构设计的内容外形设计外形设计结构设计结构设计根据飞机的战术、技术要求或使用要根据飞机的战术、技术要求或使用要求、性能指标等，设计机翼的外形，求、性能指标等，设计机翼的外形，确定机翼的主要几何参数。确定机翼的主要几何参数。根据飞机总体设计阶段所提供的依据根据飞机总体设计阶段所提供的依据（其中包括外形设计），设计出能够（其中包括外形设计），设计出能够满足各项要求的具体机翼结构。满足各项要求的具体机翼结构。具体地说，机翼的结构设计是指，根据给出的具体

2、地说，机翼的结构设计是指，根据给出的原始依据原始依据，合理，合理地选择机翼的地选择机翼的受力形式受力形式，布置机翼的主要，布置机翼的主要受力构件受力构件，确定沿展，确定沿展向各剖面处纵向向各剖面处纵向元件的尺寸元件的尺寸，并对各主要受力构件进行设计。，并对各主要受力构件进行设计。2021-10-293二、机翼结构设计的原始依据二、机翼结构设计的原始依据机翼结构设计机翼结构设计的原始依据的原始依据全全 机机 参参 数数机翼外形参数机翼外形参数翼载翼载 p=Y/S 或或 G/S机翼面积机翼面积 S机翼最大过载系数机翼最大过载系数 n机翼的位置机翼的位置机翼内部布置机翼内部布置上、中、下单翼上、中、

3、下单翼分开分开 或或 贯穿机身贯穿机身机翼机翼-机身连接方式机身连接方式机翼整体油箱、安装发动机、设备、起落架等机翼整体油箱、安装发动机、设备、起落架等展弦比展弦比 机翼展长机翼展长 l翼型相对厚度翼型相对厚度C后掠角后掠角 梯形比梯形比 接下接下页页2021-10-294机翼结构设计机翼结构设计的原始依据的原始依据接上接上页页机翼的外挂机翼的外挂不同外挂的组合要求、不同外挂的组合要求、外挂的惯性数据等。外挂的惯性数据等。强度刚度设强度刚度设计参数计参数各种情况下的质量数据，各种情况下的质量数据，如：起飞着陆质量、基本如：起飞着陆质量、基本强度计算质量等。强度计算质量等。各种机动飞行包线各种机

4、动飞行包线安全系数安全系数机翼使用维护要求机翼使用维护要求可选的结构材料及材料性能数据可选的结构材料及材料性能数据2021-10-295三、机翼结构设计的步骤三、机翼结构设计的步骤机翼结构设计机翼结构设计打样设计打样设计详细设计详细设计机翼内部安排、确定设计分离面、机翼内部安排、确定设计分离面、选择结构型式、布置主要受力构件、选择结构型式、布置主要受力构件、绘制机翼理论图及打样图。绘制机翼理论图及打样图。完成机翼零、构件设计，画出从完成机翼零、构件设计，画出从零件、构件、组件到部件的全套零件、构件、组件到部件的全套生产图纸，并完成机翼强度、刚生产图纸，并完成机翼强度、刚度、寿命的全部计算。度、

5、寿命的全部计算。机翼结构设计的具体步骤：机翼结构设计的具体步骤：外载和内外载和内力计算力计算内部安排，确定结构型内部安排，确定结构型式、设计分离面、对接式、设计分离面、对接方式，布置主要受力构方式，布置主要受力构件，绘制打样图件，绘制打样图设计计算，设计计算，对各元件对各元件的强度进的强度进行设计行设计绘制机绘制机翼理论翼理论图图打样打样设计设计阶段阶段2021-10-296机翼结机翼结构元件构元件设计设计结构强度、结构强度、刚度校核刚度校核计算计算绘制生产图纸绘制生产图纸给出疲劳寿命给出疲劳寿命和检查周期和检查周期工作设工作设计阶段计阶段四、机翼结构型式的确定四、机翼结构型式的确定( (属打

6、样设计阶段属打样设计阶段) )机翼的结构型式在总体设计阶段就已进行了初步考虑。总体方机翼的结构型式在总体设计阶段就已进行了初步考虑。总体方案确定后，各部件的结构受力型式和主要受力构件的布置也就基本案确定后，各部件的结构受力型式和主要受力构件的布置也就基本确定，在结构设计中只是根据协调需要作小的更改。确定，在结构设计中只是根据协调需要作小的更改。1 1、各种受力结构型式的特点、各种受力结构型式的特点 梁式梁式 纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄，长桁较弱，梁纵向有很强的翼梁，蒙皮较薄，长桁较弱，梁的缘条剖面与长桁剖面相比要大得多。的缘条剖面与长桁剖面相比要大得多。结构简单，蒙皮上打开口方便，开口对结构承

7、弯能力影结构简单，蒙皮上打开口方便，开口对结构承弯能力影响很小；连接简单，对接点少。响很小；连接简单，对接点少。机翼结构形式的确定机翼结构形式的确定2021-10-297蒙皮未能发挥承弯作用，材料利用不充分；蒙皮易失稳，蒙皮未能发挥承弯作用，材料利用不充分；蒙皮易失稳，影响气流质量，增大阻力，并易导致早期疲劳损坏；生存性低。影响气流质量，增大阻力，并易导致早期疲劳损坏；生存性低。 单块式单块式长桁较多较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般长桁较多较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般梁缘条的剖面面积不大，有时只布置纵墙而不采用缘条面积较大梁缘条的剖面面积不大，有时只布置纵墙而不采用缘条面积较大的翼梁。的翼梁。

8、蒙皮在气动载荷作用下变形较小，气流质量高。材料蒙皮在气动载荷作用下变形较小，气流质量高。材料向外缘分散，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高。安全可靠性好。向外缘分散，抗弯、抗扭强度及刚度均有所提高。安全可靠性好。结构复杂，对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连结构复杂，对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连接复杂。接复杂。单块式机翼的结构特点2021-10-298 多腹板式多腹板式这类机翼布置了较多的纵墙，蒙皮较厚。厚蒙这类机翼布置了较多的纵墙，蒙皮较厚。厚蒙皮单独承受全部弯矩。皮单独承受全部弯矩。抗弯材料分散在剖面上下缘，结构效率高；局部刚度及抗弯材料分散在剖面上下缘，结构效率高；局部刚度及总体刚度

9、大；受力高度分散，破损安全特性好，生存性高。总体刚度大；受力高度分散，破损安全特性好，生存性高。不宜大开口；与机身连接点多。不宜大开口；与机身连接点多。多腹板式机翼的结构特点梁式、单块式、多腹板式三种机翼受力型式的主要区别在于梁式、单块式、多腹板式三种机翼受力型式的主要区别在于承受弯矩引起的正应力元件面积的分散度不同，因而当元件总面承受弯矩引起的正应力元件面积的分散度不同，因而当元件总面积相同时，通常是后者的形心距较高，结构效率可能较高，重量积相同时，通常是后者的形心距较高，结构效率可能较高，重量可能较轻。可能较轻。但对于具体情况有待进一步分析。但对于具体情况有待进一步分析。2021-10-2

10、99（1 1）机翼的）机翼的相对载荷相对载荷 M/HBB 受力翼盒的弦长（近似取为受力翼盒的弦长（近似取为60%60%的弦长）的弦长）H 翼盒的平均高度（近似取为翼盒的平均高度（近似取为80%翼型最大高度翼型最大高度H） 代表壁板以宽柱代表壁板以宽柱型式受力时，单位宽型式受力时，单位宽度壁板上所受的轴向度壁板上所受的轴向力。力。2 2、相对载荷、有效高度比与结构受力型式选择之间的关系、相对载荷、有效高度比与结构受力型式选择之间的关系2021-10-2910假设略去后略角和梯形比的影响，估算时近似地把后掠机翼假设略去后略角和梯形比的影响，估算时近似地把后掠机翼简化为平直矩形机翼，同时略去机身段的

11、影响，后掠、平直机翼简化为平直矩形机翼，同时略去机身段的影响，后掠、平直机翼相对载荷估算公式为相对载荷估算公式为 （主要从受压区的情况进行分析）（主要从受压区的情况进行分析）相对载荷相对载荷为为ClSGnClblSGnbbClSSnGBHM 26. 026. 06 . 08 . 0181/可见可见 G/S、l、n 等参数愈大，等参数愈大，C 愈小，则愈小，则相对载荷相对载荷愈大。愈大。机翼对称面上的最大弯矩为机翼对称面上的最大弯矩为lSSnGlSnSGM81421.,.H0 8H0 8CbB0 6b 2021-10-2911HHHeffeffHeff 有效高度，上、下缘条的形心间距。有效高度，

12、上、下缘条的形心间距。（2 2）有效高度比）有效高度比 讨讨 论论 a)采用分散受力型式，根据采用分散受力型式，根据 b决定的蒙皮与桁条的面积可决定的蒙皮与桁条的面积可能很小，而其失稳临界应力能很小，而其失稳临界应力 cr 就可能大大低于就可能大大低于 b 。因因此，如果按此，如果按 cr确定构件尺寸，确定构件尺寸， 从从 b来看，材料利用就来看，材料利用就不充分。不充分。2021-10-2912 讨 论& 如果采用梁式，由于受正应力的面积集中在梁缘条，如果采用梁式，由于受正应力的面积集中在梁缘条，其截面积就较大，不易失稳。虽然缘条形心离蒙皮其截面积就较大，不易失稳。虽然缘条形心离蒙皮

13、内表面的距离较大，而使内表面的距离较大，而使H Heff eff 有所降低，但总的说来有所降低，但总的说来可能还是有利的。可能还是有利的。 特别当特别当C C 较大时，较大时， H Heffeff 也没有明显降低。也没有明显降低。 & 采用分散受力型式，其长桁、蒙皮在各切面处的面积采用分散受力型式，其长桁、蒙皮在各切面处的面积不致太小，不易失稳，也即不致太小，不易失稳，也即 cr 不致很小。不致很小。分散受力型式，上、下纵向元件的形心间距大，结构效率分散受力型式，上、下纵向元件的形心间距大，结构效率高些，总的来说是有利的。高些，总的来说是有利的。2021-10-2913& 多腹

14、板式相对于单块式结构，因材料的分散度更大，多腹板式相对于单块式结构，因材料的分散度更大，有效高度比更大，因而更有利。有效高度比更大，因而更有利。总结 仅就仅就相对载荷相对载荷和和有效高度比有效高度比这两个参数来分析（对于梯这两个参数来分析（对于梯形比在形比在1-4之间的平直机翼和后掠机翼），一般说来之间的平直机翼和后掠机翼），一般说来 当当 M/HB 较大、相对厚度较大、相对厚度C较小时，宜采用多腹板式结较小时，宜采用多腹板式结构；构； 当当 M/HB 较大、相对厚度较大、相对厚度C较大时，宜采用单块式结构；较大时，宜采用单块式结构； 当当 M/HB 较小、相对厚度较小、相对厚度C较大时，宜采

15、用梁式结构。较大时，宜采用梁式结构。2021-10-2914机机 种种F-86D米格米格-15F-104波音波音-707L-29幻影幻影-平面形状平面形状后掠后掠后掠后掠平直平直后掠后掠平直平直三角形三角形相对厚度相对厚度11.5%10.4%3.36%12%17%4%相对载荷相对载荷 ( 105)4.703.625.8519.32.120.82有效高度比有效高度比( %)9190.5结构型式结构型式单块式单块式 单块式单块式多腹板多腹板式式单块式单块式单梁式单梁式多梁式多梁式（3）三角机翼的受力型式 2021-10-2915（3 3）三角机翼的受力型式）三角机翼的受力型式 三角机翼三角机翼(根

16、部根部)的弯矩计算公式的弯矩计算公式)22(3121fBlnGMBf 机身宽度机身宽度通常三角机翼的弯矩较小，根部剖面的绝对高度较大，通常三角机翼的弯矩较小，根部剖面的绝对高度较大，因而其因而其相对载荷相对载荷较小。虽然三角机翼的相对厚度一般也较小，较小。虽然三角机翼的相对厚度一般也较小，但翼剖面的绝对结构高度还是较大，梁的结构效率仍比较高，但翼剖面的绝对结构高度还是较大，梁的结构效率仍比较高，故故三角翼大多采用梁式结构三角翼大多采用梁式结构。翼尖部分由于弦长下降快，因此一般采用单块式或整体翼尖部分由于弦长下降快，因此一般采用单块式或整体结构。结构。（3）三角机翼的受力型式2021-10-29

17、163 3、选择受力型式的注意事项选择受力型式的注意事项应该注意应该注意：以上各种机翼结构型式的特点，以及相对载荷、以上各种机翼结构型式的特点，以及相对载荷、有效高度比等，只是在选择受力型式时参考的一个方面。有效高度比等，只是在选择受力型式时参考的一个方面。实际上结构受力型式的选择在很大程度上是受飞机总体布实际上结构受力型式的选择在很大程度上是受飞机总体布局的影响。局的影响。（1）机翼内部布置机翼内部布置。如收放起落架，布置大开口等。如收放起落架，布置大开口等。（2）机翼、机身的相对位置，以及机身内部的布置机翼、机身的相对位置，以及机身内部的布置。影影响机翼响机翼- -机身的对接形式，进而影响

18、到机翼受力型式的选择。机身的对接形式，进而影响到机翼受力型式的选择。（3）机翼的几何参数机翼的几何参数。如后掠翼、三角翼等。如后掠翼、三角翼等。2021-10-2917五、机翼主要受力构件布置五、机翼主要受力构件布置是指具体确定机翼主要受力构件是指具体确定机翼主要受力构件的布置方式、数量和位置。的布置方式、数量和位置。主要受力构件有：主要受力构件有：梁、墙、加强肋、普通肋、桁条等。梁、墙、加强肋、普通肋、桁条等。1、主要受力构件布置的原则主要受力构件布置的原则B 确保气动载荷引起的弯、剪、扭能顺利可靠地传向机身。确保气动载荷引起的弯、剪、扭能顺利可靠地传向机身。B 在集中力、集中力矩作用处，要

19、布置相应的构件：如加强在集中力、集中力矩作用处，要布置相应的构件：如加强肋、辅助短梁，一是将集中力扩散，二是将扩散后的分布肋、辅助短梁，一是将集中力扩散，二是将扩散后的分布力传给机翼结构受力盒段，再由盒段将载荷往机翼根部传力传给机翼结构受力盒段，再由盒段将载荷往机翼根部传给机身。给机身。2021-10-29181、主要受力构件布置的原则主要受力构件布置的原则B一般来说，传力越直接越好，结构重量越轻。一般来说，传力越直接越好，结构重量越轻。B布置加强构件应尽量做到综合利用，以减轻重量。布置加强构件应尽量做到综合利用，以减轻重量。B受力构件连接处应尽量避免或减少偏心。受力构件连接处应尽量避免或减少

20、偏心。2、主要受力构件的布置主要受力构件的布置+ 梁与墙的布置梁与墙的布置q 数量：数量：一般现代运输机上，机翼至少有两根梁。一般现代运输机上，机翼至少有两根梁。 一是因为要形成承扭闭室，二是因为可作整体一是因为要形成承扭闭室，二是因为可作整体油箱壁板。油箱壁板。q 位置与布置方式：一般一般前梁前梁位于能与机翼前缘缝翼、前位于能与机翼前缘缝翼、前缘襟翼（如有的话）相连的位置；缘襟翼（如有的话）相连的位置；后梁后梁在能与操纵面相在能与操纵面相连的位置。连的位置。2021-10-2919 从受力合理看从受力合理看：( (1)1)梁最好能纵贯全翼展，且轴线尽量不折转；梁最好能纵贯全翼展，且轴线尽量不

21、折转；(2)(2)尽可能布置在结构高度较大的部位；尽可能布置在结构高度较大的部位；(3)(3)沿展向最好按弦长等百分比线布置。沿展向最好按弦长等百分比线布置。翼肋的布置+ 翼肋的布置翼肋的布置q 数量：数量：翼肋的间距可按蒙皮格子的临界应力的大小确定，翼肋的间距可按蒙皮格子的临界应力的大小确定，也可按桁条总体和局部失稳临界应力相等的要求确定。也可按桁条总体和局部失稳临界应力相等的要求确定。q 位置与布局方式：位置与布局方式： 普通翼肋普通翼肋 顺流布置顺流布置 翼肋翼肋 翼肋的布置翼肋的布置 加强翼肋加强翼肋 正交布置正交布置2021-10-2920顺流布置的优点顺流布置的优点维持机翼剖面形状

22、较好；相同翼肋间维持机翼剖面形状较好；相同翼肋间距下，数量要少等等。距下，数量要少等等。翼肋的布置顺流布置的缺点顺流布置的缺点翼肋翼肋长度增加；缘条扭曲；长度增加；缘条扭曲；蒙皮受压稳定性差等等。蒙皮受压稳定性差等等。顺流布置的应用顺流布置的应用一般一般用于机翼蒙皮较厚，翼用于机翼蒙皮较厚，翼肋对蒙皮支持作用较小，肋对蒙皮支持作用较小，或机翼局部区域。或机翼局部区域。2021-10-2921+ 桁条的布置桁条的布置q 数量：数量：桁条的间桁条的间距根据蒙皮失稳距根据蒙皮失稳临界应力来定确临界应力来定确定。定。正交布置正交布置的的优点、缺点优点、缺点与顺流肋与顺流肋恰好相反。恰好相反。 在现代后

23、掠机翼上，正交布置在现代后掠机翼上，正交布置采用得较多采用得较多。桁条的布置2021-10-2922位置与布局方式：位置与布局方式： 按百分比线布置按百分比线布置(聚交式聚交式) 长桁布置长桁布置 平行于前梁或后梁平行于前梁或后梁按百分比线布置的特点按百分比线布置的特点桁条无扭曲，桁条截面面积变桁条无扭曲，桁条截面面积变桁条的布置 化或截断等。化或截断等。平行布置的特点平行布置的特点扭扭曲，逐渐切断等。曲，逐渐切断等。2021-10-29234.9 机翼结构元件设计机翼结构元件设计一、翼梁设计一、翼梁设计构构 架架 式式腹腹 板板 式式1、梁的构造形式和常用的剖面形状、梁的构造形式和常用的剖面

24、形状梁的分析简化：通常把梁的腹板简化成只受剪力的板，上下通常把梁的腹板简化成只受剪力的板，上下缘条则作为杆，用来承受一对轴力。缘条则作为杆，用来承受一对轴力。这是因为：缘条厚度一般远比梁的总高度小，腹板厚度远比这是因为：缘条厚度一般远比梁的总高度小，腹板厚度远比缘条厚度小。缘条厚度小。在老式低速飞机上曾经使用在老式低速飞机上曾经使用 组组 合合 式式 整体锻造式整体锻造式2021-10-29242、缘条设计、缘条设计初步设计时，缘条的拉压轴力初步设计时，缘条的拉压轴力N为为N=M/H H上下缘条剖面形心间距上下缘条剖面形心间距承拉缘条的剖面面积承拉缘条的剖面面积为为Fl =N/ b承压缘条的剖

25、面面积承压缘条的剖面面积为为Fl =N/ cr cr缘条的局部失稳临界应力缘条的局部失稳临界应力缘条与腹板的设计梁的截面形状梁的截面形状2021-10-29253 3、腹板设计、腹板设计 腹板可简化成四边受剪的平板。腹板可简化成四边受剪的平板。 缘条与腹板的设计（1 1）抗剪型腹板设计）抗剪型腹板设计 此类腹板的二种破坏形式：此类腹板的二种破坏形式：剪切破坏剪切破坏和和剪切失稳剪切失稳由剪切破坏确定的腹板厚度由剪切破坏确定的腹板厚度 1 Q/h b b由剪切失稳确定的腹板厚度由剪切失稳确定的腹板厚度 抗剪型抗剪型不允许剪切失稳不允许剪切失稳 腹板腹板 张力场型张力场型腹板可以失稳腹板可以失稳322KEqb 2021-10-2926二、桁条设计其中其中 K 根据支持情况和板的短边与长边之比，查设计手根据支持情况和板的短边与长边之比，查设计手册可得册可得；q 为剪流为剪流；b腹板短边长度