第十八讲：总复习

飞机结构分析与设计总复习考试时间：2014年6月26日8:00-10:00考试地点：主M201答疑时间：2014年6月24日8:00-12:002第一章绪论飞机结构设计的定义根据结构设计的原始条件，结合结构设计的基本要求，在飞机总体设计基础上，提出先进合理的结构形式，进行：结构打样设计(或称结构的初步设计)全机结构强度计算、试验研究绘制结构图纸、编制相应的技术文件3一.飞机结构设计的基本要求气动要求——主要对应于结构的性能

满足总体设计规定的外形和表面质量要求，保证飞机的气动升力和阻力特性；满足刚度要求，保证飞机具有原定良好的稳定性和操纵性。2.重量要求——主要对应于结构的经济性

在各种规定的载荷下，满足强度、刚度、寿命和可靠性要求，并使结构的重量最轻——即最小重量要求。3.使用维护要求——主要对应于结构的使用过程

为了确保维护、检修工作的高质量、高效率，结构需要布置合理的分离面和各种开口。4.工艺要求——主要对应于结构的生产过程

飞机的制造工艺性与飞机的经济性。4二.飞机结构设计的原始条件结构外形和空间协调结构的外载荷和受力特点结构的使用条件结构的生产条件结构的使用条件环境条件起飞着陆条件维护、检修条件结构的生产条件飞机产量：产量-效益和工艺-结构设计工厂加工能力：包括设备、人员和工艺等5三.飞机结构设计的基本内容飞机结构设计的范围：飞机结构主要指受力结构，主要包括：机翼结构、尾翼结构、机身结构、发动机舱结构、起落架结构和操纵系统的设计结构设计的成果：完成结构(含各部件)装配图零、构件生产图相应的技术文件6飞机结构设计的基本内容：了解结构的使用条件、生产条件和协调关系，以及总体设计对结构的设计要求(即结构外形尺寸、重量、结构型式等要求)。根据强度规范确定外载荷、载荷分布、安全系数。进行结构方案比较，初步选定结构方案后进行结构布局和受力构件协调。进行静强度初步估算，初步确定各部件结构的基本尺寸，然后进行结构优化设计和进一步结构方案比较。最后通过结构优化设计确定结构的基本尺寸。画出结构的详细打样图，进行细节设计。7对结构进行强度计算(包括静、动强度，疲劳、耐久性和损伤容限)，在计算过程中如有必要需进行零、构件模拟试验和强度的基本试验。如强度不能满足要求，则修改尺寸或结构形式，使满足强度要求。绘制全套结构生产图纸，编制相应的技术文件。对全机进行疲劳寿命和疲劳强度计算。进行耐久性和损伤容限分析、结构可靠性分析、动强度计算，给出结构使用寿命和检查周期。根据试造、全机静力试验、试飞、全机疲劳试验、耐久性和损伤容限中发现的问题，修改结构生产图纸和技术文件。8有限元素法的基本概念及典型步骤；结构优化设计的数学模型及现有的优化方法；并行工程的基本原理；主动控制技术的定义自适应结构的概念智能结构的概念第二章飞机结构设计方法9第三章飞机的外载荷影响飞机结构强度的主要载荷飞行中的空气动力质量力着陆时的地面冲击力这章介绍的内容：飞机飞行中的载荷使用过程中，影响飞机结构强度的主要载荷有：10升力Y阻力X动力装置产生的推力

T起飞着陆时作用在前、主起落架的地面反力Pn

、

Pm飞机各部分的相互作用力Ri外界作用在飞机上的外力有：表面力质量力与飞机的质量m有关的力，其中包括飞机总重G和惯性力N。11飞机在空中飞行时的受力情况可简化成图3-1。此时飞机既有平移运动，又有旋转运动，总的平衡关系为∑Fx

=0,T-X=max=Nx∑Fy

=0,Yw-Yt=m(g+ay)=G+Ny∑Mz

=0,-YwC+Yt(d+c)=Iz

z式中Iz

—飞机绕Z轴的质量惯性矩；

z—飞机绕Z轴的角加速度；其它符号见图3-1所示。12飞机所受除重力之外的外力总和与飞机重力之比称为过载系数

(所有表面力的合力与飞机重量G之比)，用符号n表示。它沿飞机主轴的三个分量为nx、ny、nz

。二、过载系数的概念1.过载系数的定义2.过载系数的物理意义用来计算实际载荷的大小。如果我们知道了飞机的过载系数，就能很方便地求得飞机实际载荷的大小和方向，这便于设计飞机的结构，检验其强度、刚度。过载系数与飞机机动性等飞行状态密切相关，因此它是飞机设计的一个重要参数。过载系数表示了飞机实际的外力与飞机重力的关系。它是用倍数的概念来表示的，是一个相对值。另一方面，过载系数又表示飞机实际的质量力的情况。3.过载系数的实际应用13三、飞机对称机动飞行包线nynymaxnyminAA’DD’CqmaxmaxqCymaxCymin•B(0.5nymax)onynymaxnyminAA’DD’CCyCymaxCyminB0.5nymax14四、安全系数和设计载荷一、安全系数等概念的定义使用载荷Pe：飞机在使用中预计各结构可能遇到的最大载荷，或称为限制载荷(LimitLoad)。在该载荷作用下，飞机各元件的应力临近材料的比例极限强度σp，但未出现永久变形。设计载荷Pd

：飞机及各结构在其作用下刚好临近破坏的载荷，或称为极限载荷(UltimateLoad)。安全系数f：强度规范中定义设计载荷与使用载荷之比，即f=Pd/Pe二、安全系数的物理意义：

其物理意义为实际使用载荷增大到多少倍结构才破坏，这个倍数就是安全系数。Pd=f

Pe=f

nG

15第四章机翼、尾翼结构分析与设计一、机翼的功用与要求机翼的功用机翼的用途产生升力保证飞机的横向稳定性、操纵性以及增升增阻效能安装起落架、发动机、武器等装载燃油、军械、设备等16飞机结构设计的基本要求飞机结构设计的基本要求气动要求重量要求使用维护要求工艺要求机翼的功用与要求机翼的设计要求与上述四项基本要求是一致的，然而由于功用不同，侧重点有所不同。机翼的主要要求：气动、强度、刚度、寿命、重量要求是主要要求，这是由机翼的功用、载荷和外形特征因素所决定的。17二、

机翼的载荷与内力机翼的外载荷作用在机翼上的载荷有气动载荷结构质量载荷接点载荷分布载荷集中载荷作为简化模型，当机翼分成两半与机身在其侧边相连时，可把每半个机翼看作固定支持或弹性支持在机身上的悬臂梁。若机身为一整体时，则把它看作是支持在机身上的双支点外伸梁。二、机翼的边界条件18三、机翼的结构形式机翼元件纵向元件：翼梁、纵墙、桁条横向元件：普通翼肋、加强翼肋蒙皮组成内部受力骨架机翼结构组成各元件的承载特点表载荷承力元件应力Q翼梁、纵墙腹板剪应力M翼梁、桁条、蒙皮正应力Mt翼梁、纵墙腹板以及蒙皮组成的闭室剪应力19机翼的结构形式1、梁式：主要结构特点是纵向有很强的翼梁，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。与机身的连接形式梁式机翼通常作成两个半机翼，即机翼常在机身两侧有设计分离面，并就在此分离面处借助几个对接接头与机身连接。分类按翼梁的数量，可分为单梁式、双梁式和多梁式（3-5根梁）。机翼的典型结构形式梁式：单梁、双梁、多梁式单块式多腹板式混合式20

2、单块式：主要结构特点是

长桁较多、较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般梁缘条的剖面面积与长桁的剖面面积接近或略大一些，有时只布置纵墙而不采用缘条面积特别大的翼梁。与机身的连接形式为了充分发挥单块式机翼的传力特点，机翼一般作成整体贯穿机身。整个机翼通过几个接头与机身相连。优点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。缺点结构复杂，对开口敏感。与中翼或机身接合点多，连接复杂。优点结构简单，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。缺点蒙皮未能发挥承弯作用，蒙皮材料利用不充分；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。21

3、多腹板式（也叫多墙式）：4、混合式：介于梁式、单块式、多腹板式之间的机翼结构形式。如多腹板式机翼中墙的缘条也比较强，结构介于多腹板式和多梁式之间。有些机翼为了综合发挥各种形式的优点，在不同部位采用不同的结构形式。

主要结构特点是

这类机翼布置了较多的纵墙（一般多于5个，有的多达10余个），蒙皮较厚，无长桁，翼肋很少。厚蒙皮单独承受全部弯矩。与机身的连接形式一般在根部过渡成多梁式结构，然后与机身相连。优点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大；受力高度分散（多腹板抗剪、蒙皮分散受弯、多闭室承扭），破损安全特性好，生存性高。缺点不宜大开口；与机身连接点多。22四、平直机翼的传力分析传力分析的一般原理1、传力分析的概念、目的“传力分析”的一般含义：当支承在某基础上的一个结构受有某种外载，分析这些外载如何通过结构的各个元件逐步地向支承它的基础传递，则称此过程为结构的传力分析。传力分析的目的：了解结构受力的物理本质，并弄清楚每个主要受力元件在结构中的作用和地位。23从受力的角度看，机翼结构有弄清楚结构所受的载荷最后应传向何处。分清结构的主要和次要受力部分，主要和次要受力元件。对主要元件的连接关系、连接方式进行详细了解，以便正确确定支持形式和传力方式。依次选取元件为分离体，按静力平衡条件逐步分析，这样才能反映出正确的传力路线。2、实际结构传力分析的基本方法主要部分：如主要受力翼盒次要部分：如机翼后缘主要构件元件：如翼梁、翼肋、长桁、蒙皮、接头等次要元件：如连接角片、垫片等传力分析中，着重研究参加承受机翼总体力的主要结构元件、主要部分的传力情况。对实际结构进行传力分析的基本方法：243、基本结构元件的传力特性飞机机体结构大多是薄壁结构，基本上由板、杆组成。各构件在结构中应根据它们的传力特性进行最佳组合，使它们分别承担最符合各自受力特点的载荷，这样才能使设计出来的结构重量轻。分析传力时，还须具备刚度概念。对静不定系统，

a)载荷分配与元件刚度有关。刚度大，分配到的载荷大；b)载荷分配与支持刚度有关。刚性支持分配到的载荷大，弹性支持分配到的载荷小；c)传力多少与传力路线的长度有关，传力路线短的元件传走的力多。25单块式机翼的传力分析单块式机翼的结构特点：长桁较多、较强，蒙皮较厚，翼肋较密，一般梁缘条的剖面面积与长桁的剖面面积接近或略大一些，有时只布置纵墙而不采用缘条面积特别大的翼梁。桁条翼肋气动载荷蒙皮梁（墙）腹板缘条、桁条和蒙皮组成的壁板梁缘条传给蒙皮的剪流相临的蒙皮铆钉最近的桁条桁条26中外翼对接处的传力对接接头集中式连接分散式连接外翼根部的连接形式如梁式机翼如单块式机翼、多腹板式机翼梁式机翼垂直耳片接头传力

垂直剪力垂直弯矩水平弯矩

螺栓剪力

水平剪力

耳片挤压力机翼扭矩根部加强肋翼梁腹板螺栓剪力垂直力偶27梁式机翼垂直耳片接头传力

水平剪力垂直弯矩水平弯矩

螺栓剪力

垂直剪力

耳片挤压力机翼扭矩根部加强肋翼梁缘条螺栓剪力水平力偶单块式机翼对接处的传力分散对接接头对孔式垫板式弯矩——螺栓轴力剪力、扭矩—螺栓剪力弯矩、剪力、扭矩——螺栓剪力多腹板式机翼多采用对孔连接给中翼传力28五、后掠机翼的结构特点和受力分析后掠机翼与平直机翼的主要区别后掠机翼与平直机翼的主要区别：后掠机翼可以看成由平直机翼向后转一个角度所形成。它的外段实质就是一个平直机翼，构造和受力与直机翼没有太大区别。主要区别：1）在根部三角区内结构比较特殊，这一点后面将作重点讨论；2）翼肋有两种布置方式：顺流布置和正交布置。（正交机翼比较普遍，有工艺性好、节省材料，蒙皮不易失稳等优点。）机翼由于后掠带来的问题有：1）直观地看，在相同的展弦比和梯形比下，后掠翼的真实长度比平直翼长，垂直于机翼刚度轴的弦较短，后掠翼显得细长而薄，弯矩刚度都有所降低。292）后掠翼的气动合力作用点向翼尖靠近，使弯矩和扭矩增大。所以总的来说，后掠翼的强度、刚度特性都差，后掠角越大，这一问题越突出。为了保证足够的强度刚度，必然要付出重量代价。3）后掠翼根部由于纵向元件长度不同，因而前缘纵向元件受力减小，后缘纵向元件受力增大。这种载荷向后缘集中的现象叫做“后掠效应”。后掠角越大，后掠效应越严重。梁架式后掠翼的受力分析30六、三角机翼的结构特点和受力分析三角机翼的外形特征和优点：三角机翼可以看成在后掠机翼的后缘填补一块三角面积演变而来；大后掠角（χ前=55º~75º），小展弦比（λ=1.5~2.5），大梯形比（可达无限），小相对厚度（C=3%~5%）；三角机翼相对厚度虽小，但是由于根弦很长，所以根部结构的绝对高度仍然较大，承弯的结构效率高；闭室面积大，承扭能力强；三角翼翼展小，根部面积大，气动载荷压力中心靠近翼根，产生的弯矩小；压心到根部刚心的距离近，扭矩也小。31（1）颤振的概念颤振是气动力、弹性力、惯性力三者相互作用的结果。机翼颤振有多种形态，例如弯扭颤振、弯曲-副翼颤振、扭转-副翼颤振、弯扭-副翼颤振