飞机结构设计(第2章)2012

本章内容2.1飞机结构的主要载荷2.2典型飞行姿态和载荷系数2.3复杂载荷情况2.4飞机的设计规范2/5/20231

飞机作为运载工具要求反复使用，可能经历各样的复杂载荷历程。最主要、最基本的有哪些？对结构的影响作用是什么？这是设计师们关心的基本问题；其次是不同载荷形态与主要载荷的差异以及这些载荷的变化规律（包括大气气象规律的统计）。1.思维要点：主要载荷形式；主要载荷分类；作用于结构如何分析。2/5/20232

是指飞机在起飞、飞行、着陆和地面滑行等使用过程中，作用在机体各部分上的气动力、重力和地面反力等外力总称。★飞机外载荷：飞机外载荷分类：飞行时外载荷起飞、着陆时的外载荷2/5/20233飞机外载荷取决于：飞行时外载荷起飞、着陆时的外载荷使用情况起落架的减振特性外形的气动力特性结构设计、强度计算的重要依据飞机的外载荷强度规范2/5/20234飞机的升力要求作用在重力的后面，目的是为了保证飞机的稳定性。2/5/20235空中飞行情况升力Y阻力X飞机的重力G发动机推力T空中飞行情况2/5/20236地面运动情况地面运动情况2/5/20237载荷的参照坐标系：机体坐标系

飞机上的坐标系2/5/20238飞机在空中飞行时的受载情况：式中：机翼升力；尾翼升力；方向的加速度；飞机绕z轴的质量惯性矩；飞机绕z轴的角加速度2/5/20239一、等速直线平飞时的受载情况：升力Y阻力X飞机的重力G发动机推力T等速直线平飞（牛顿第一定律）2/5/202310飞机的外载图像演示2/5/202311二、俯冲后拉起时的受载情况：俯冲拉起2/5/202312对称面内作曲线机动飞行情况（纵向飞行）飞机的升力使飞机保持向心曲线运动。一、俯冲拉起:动平衡关系：（机体坐标系y向）表现了运动的变速特征（曲线运动）设飞机的速度为，航迹曲率半径为则法向速度为2/5/202313俯冲后拉起升力等于G乘上一个系数，等速平飞该系数称为载荷系数。2/5/202314分析该曲线运动中，的特性（1）（2）（3）方成正比，这表明：若一定，一定，则运动半径就规定了；太

小，则结构承载发生问题；若一定，一定，则速度受限制。

由此看来，对结构设计是一个重要的无量纲载荷系数。与曲线航迹半径成反比，与切线运动速度的平2/5/2023151.载荷系数的概念：除重力外，作用在飞机某方向上的所有外力的合力与当时飞机重量的比值，称为该方向上的载荷系数。表示e.g.平直匀速飞行：，平直匀速倒飞：

（-Y/GY与机体坐标系相反）Note:①对重力视可不见；②千万不能计及惯性力；③机体坐标系为正向；④载荷系数是一矢量，分量用2/5/202316①表示了作用于飞机重心处的外力与飞机重力的比值关系；②表示了飞机质量力（重力与惯性力均与质量有关，故统称为质量力）与重力的比率。（应注意质量力与外力方向相反）③飞机的质量力应当是飞机的各部分质量力之和：2.物理意义：2/5/202317④飞机中的某集中质量GI=mig，作用在结构上的质量力为：⑤当飞机沿x方向有变速运动时，x向惯性力：若俯冲拉起中的曲线运动中，切向是加速运动，则：⑥nz=0（飞机展向变速平移难）；az一般较小，在大机动飞行中可能出现。2/5/2023183.实用意义：①作为飞机结构设计时重要原始载荷系数；②n的大小实际反映了飞机的机动性能；结合n

和已知的气动力分布，可获得实际作用于结构上载荷的大小，从而进行设计与校验。④可通过在飞机重心处安装加速度计来获取。2/5/202319过载表1-弹簧，2-重块，3-指针，4-阻尼器2/5/202320二、其他飞行姿态的载荷系数计算:1.进入俯冲情况：视v与r的不同情况，ny可能为正，也可能为负，还有可能为零2/5/2023212.垂直俯冲情况：此时：x方向的载荷系数：发动机的推力T=0时，自由落体运动，机内各装载物均没有垂直（x方向）的力作用于结构上2/5/2023223.等速水平盘旋情况：这也是飞机机动性能的主要指标之一等速水平盘旋2/5/202323盘旋倾斜角越大，过载系数越大在水平方向上，向心力与离心惯性力平衡2/5/2023244.垂直突风情况：各种方向风突中最严重的情况2/5/202325（1）升力：2/5/202326因为：计算载荷系数为：2/5/202327三、飞机转动时的载荷系数:（1）飞机转动(升降)时的载荷系数：2/5/202328（1）飞机转动时的载荷系数：

1）运动分析：

转动+平移2)载荷分析:当平尾产生机动载荷时,飞机产生平移与旋转；该载荷克服了飞机原有的平飞状态,使飞机在上述两个运动中产生加速度。从动平衡角度,平尾机动载荷与它克服的惯性力及力矩相平衡2/5/202329Ⅰ、平移速度载荷系数(质点)(外载分析法)Ⅱ、绕中心转动的载荷系数(质量力分析法)

i表示转动轴线上的任意位置

2/5/202330（2）装载或设备作用在飞机结构上的质量力：俯冲拉起时→装载物变重特点不考虑绕重心的加速度时→装载物的载荷系数与飞机重心处得载荷系数相同飞机的质量力为飞机各部分质量力之和，出现载荷系数后，总的质量力增大为2/5/202331飞机里重力为的装载或设备作用在结构上的质量力为Y方向上的质量力为*飞机上较长的装载物（如：发动机，油箱，导弹等），则不能简单的当做一个质点来考虑。这样会带来较大的误差。此时，其绕飞机重心的质量惯性矩为：2/5/202332是某个长装载物绕其自身重心转动的质量惯性矩。因此，在他本身的中心处将会出现一个集中的惯性力矩计算结构的内力时应当计入2/5/202333四、着陆时的载荷系数:2/5/202334着陆时过载的定义与空中飞行时的区别空中飞行时：实际着陆载荷与飞机停在地面上的载荷之比：即着陆时过载不允许过大，一般原因是着陆或滑行时情况多样：可能发生2/5/202335五、飞机设计时最大载荷系数的选取1.影响选择最大载荷系数的因素i.

载荷系数实际反映了飞机的机动性能,因此越大越好,但对运输机或客机则没有太大必要。Ⅱ.载荷系数又反映了对结构的载荷作用,载荷系数越大,表明飞机结构的承载越大,要有足够的刚、强度，则结构重量大。2/5/202336Ⅲ.载荷系数的载荷作用，不仅对结构有作用，而且对机载设备及乘员有载荷作用。载荷系数越大，对他们的作用越强，要视他们的承受能力而定。Ⅳ.飞行时的载荷系数（除突风干扰外），一般来自于发动机的推力，载荷系数大，结构要重，发动机的加力性能要好，即剩余推力要大。Ⅴ.

载荷系数的选择影响因素众多，要依据技术性能要求综合确定,并不是越大越好。2/5/202337

2.人对过载的反映：

②说明人在短时间承受较大过载尚可，特别是正过载。较长时间承受过载能力很差，特别是负过载。战斗机的过载一般为-3--8民机则无必要。3.提高人抗过载的能力：

抗过载服，过载座舱。4.规范中的过载系数可供选择(飞行包线上给定）。

2/5/2023382/5/202339静载荷动载荷温度载荷疲劳载荷复杂载荷2/5/202340

一、疲劳载荷

飞机遇到载荷长期反复变化地作用，这种作用会导致结构的“疲劳”破坏，因此这种载荷历程一般称为“疲劳”载荷。

类型：1.突风载荷：大气紊流的作用，是民机、运输机的重要疲劳 载荷，大气紊流的强度以及作用的次数统计；2.机动载荷：飞机机动（变速）飞行中升力变化载荷，是军机的主要疲劳载荷，机动飞行的种类,飞行次数等；3.增压载荷：气密压舱一个飞行起落中，压力的变化，增压载 荷的变化规律，作用次数等统计；4.着陆撞击载荷：一个起落一次撞击，撞击载荷的强度； 2/5/202341地面滑行载荷：指地面滑行飞机颠簸所受到的载荷，与飞机跑道的质量、飞机的重量等有关；发动机动力装置的热反复载荷；地-空-地循环载荷：飞行地面滑行时的1g载荷变化到空中飞行的1g载荷，这种均值载荷的变化也是疲劳载荷；其他：机翼尾流对尾翼的周期性作用

tp2/5/202342

作用：①设备工作的影响；②人员的不适；③结构疲劳导致缺陷生长成裂纹并不断发展，最终导致断裂 ④疲劳载荷是飞机设计中最重要的考虑因素，是定寿的基本依据。

2/5/202343单发停车、尾旋、单轮着地、打地转、机头碰地、飞机翻倒、强迫着陆等况。二、其他特殊情况载荷1、非正常状态载荷:2/5/202344

2、鸟撞载荷鸟撞试验，2km以下最大飞行速度飞行时风档承受1.8kg鸟撞。3、冰雹载荷防冰、破冰措施，考虑承受冰雹撞击（密度、直径、速度等）4、噪声：声压场测量

预测声载荷大小、分布、作用时间，声振结构疲劳分析动力装置噪音：螺旋桨、压气机、喷气的噪音空气动力噪音：附面层压力波动、尾流、激波振荡武器发射噪音：机炮、导弹、火箭发射5、瞬时的响应载荷起飞助推、外挂物投放、弹射等对飞机结构作用的载荷。2/5/202345三、环境谱的编制

前面的载荷谱为载荷大小随时间的变化，即载荷—时间历程，环境谱则为环境强度随时间的变化，即环境—时间历程。一架飞机使用寿命：民机30000――60000飞行小时军机3000－8000飞行小时日历寿命20―25年地面停放的影响主要是环境。1.环境谱的编制步骤：

①确定飞机使用环境种类（根据飞机的特定用途和使用方法）②根据战、技要求或使用要求，确定飞机在不同地域服役时间 ③根据使用任务剖面（规定了任务类型、有效负载、飞行时间和该任务的使用百分比），确定各任务段的时间比例及地面停放时间比例； ④获取环境数据；⑤编制各类环境谱。2/5/2023462、温度效应及其载荷

来源：①

高速气流运动（一般）在机体表面的摩擦生热，与环境温度及飞行速度有关：

②

发动机燃烧及其尾部热气流对结构的作用。

作用：①

一般降低结构材料的强、刚度；②

产生热变形/热应力；均匀温度对静定结构产生热变形而无热应力；温度梯度产生热变形和热应力；

均匀温度对静不定结构产生热应力。③

热的蠕变效应。tδ2/5/202347①

指定设计规范的意义：对飞机设计和研制给出全面要求的指令性技术文件，是飞机设计员的工作依据.②政府与权威研究机构组织制定，也可与设计主管部门共同制定。

③

设计规范不是统一的，而是针对不同的飞机类型制定不同的设计规范，因为飞机的任务与技战术要求不同。④

设计规范与设计手册是飞机设计人员的基本工具。

飞机设计规范简介：2/5/2023481.设计情况定义：飞机使用过程中，应从各种可能出现的使用情况中，总结归纳出一些具有代表性的最严重的情况，这些最严重的情况称之为设计情况。设计情况使飞机结构易遭到破坏人员易受到损伤2/5/202349最大的正向和反向载荷情况对主要结构件将产生危险损坏的载荷情况对人员将产生损伤的载荷情况对飞行战术技术性能将产生严重影响的载荷情况总载不大，但载荷作用的情况特殊，影响严重，也作为设计情况考虑。对称机动飞行包线的A,B,D,E情况非对称机动中的滚转机动、滚转改出对称着陆情况、偏航着陆、单个起落架着陆情况等。2/5/2023502.规定了飞机的分类及其相应的载荷系数（结构设计规范）

①

按用途分：歼击机（J）；强击机（Q）；歼击教练机（JJ）多用途机（DY）；教练机（JL）；轰炸机（H）大型运输机（YH）

②用机动性分:

机动类（歼击机，强击机及相应的教练机）ny=-3～8

半机动类（战术轰炸机，多用途飞机）ny=-2～4

非机动类（战略轰炸机，运输机）ny=-1～32/5/2023513.设计重量①最小飞行重量；空机重＋5％燃油＋最少乘员②

最大设计重量；携带最大机内及机外装载③基本飞行设计重量；空机重＋50％燃油＋基本武器重量＋乘员、滑油、氧气重量④着陆设计重量。最大设计重量－50％机内及机外燃油2/5/2023524.飞行包