飞机结构设计

孟令兵航空工程学院

飞机结构

固定翼飞行器旋转翼飞行器直升机旋翼机旋转翼飞行器共轴双旋翼直升机交叉双旋翼倾转旋翼飞机旋翼和固定翼组合飞机扑翼飞行器1飞机机体的组成机身机翼安定面飞行操纵面起落架9飞行载荷飞机载荷：

飞机在滑行、起飞、着陆和飞行中所受的气动力、重力、推（拉）力和地面反作力。重点是升力的变化飞机载荷重力升力阻力推力弹性变形：外力去除后变形完全消失塑性变形：外力去除后无法自行恢复刚度：抵抗变形的能力强度：抵抗破坏的能力硬度：抵抗侵入的能力稳定性：抵抗失稳破坏的能力2.1机翼的功用功用：（1）产生升力（主要作用）（2）使飞机具有横侧安定性和操纵性（3）安装发动机、起落架、油箱及其它设备机翼的功用：产生升力层流和紊流“层流”是较平静地流过物体表面的流体；“紊流”，或者叫作扰流、湍流、涡流，则是不稳定的、扰动着流过物体表面的流体。气流流经物体一定距离后，表面的层流就会发生转捩，进而形成紊流。而流经的距离越长，附面层将会越厚。层流和紊流“层流”是较平静地流过物体表面的流体；“紊流”，或者叫作扰流、湍流、涡流，则是不稳定的、扰动着流过物体表面的流体。气流流经物体一定距离后，表面的层流就会发生转捩，进而形成紊流。而流经的距离越长，附面层将会越厚。层流紊流机翼的功用：产生升力伯努利定理:流体流动速度增加会导致流体压力降低。机翼的功用：产生升力速度越快，气压越小，上下表面的压力差就提供了升力25飞机在飞行中的升力如何提高升力？提高升力系数（翼型、迎角）提高发动机功率增大机翼有效面积影响升力系数的因素之一：迎角影响升力系数的因素之一：翼型凹凸型

平凸型双凸型对称型机翼的剖面形状(翼型)机翼翼型的几何参数前缘厚度中弧线后缘弯度弦线弦长c

后缘角

弦长连接翼型前缘(翼型最前面的点)和后缘(翼型最后面的点)的直线段称为翼弦（也称为弦线），其长度称为弦长，用c表示。相对厚度翼型的厚度是垂直于翼弦的翼型上下表面之间的直线段长度。翼型最大厚度tmax与弦长c之比，称为翼型的相对厚度t/c或，并常用百分数表示，即常规翼型超临界翼型超临界机翼缺点：（1）机翼后部弯曲度大导致低头力矩过大需要更高的尾翼载配平，会抵消一部分机翼升力；（2）较薄的后部机翼也不利于结构设计，不便安装增升装置。影响升力系数的因素之二：机翼面积双翼机和三翼机翼展相对较窄的三层机翼飞机具有极佳的机动性能，最适宜近距离格斗，所以获得了许多艺高胆大的尖子飞行员的青睐。红男爵：里希特霍芬一战时期世界头号空战王牌、个人战果高达80架的里希特霍芬男爵的最后座机--福克Dr-1三翼机。单翼机发动机功率增大航空材料的发展强度计算方法的改进设计和制造经验的积累刹车装置增升装置以上措施克服了单翼机的缺陷，使单翼机从此走上历史舞台。零式战斗机38机翼的平面形状椭圆形梯形后掠翼三角翼矩形机翼的平面形状平直翼（全球鹰）后掠翼（苏-27）前掠翼（S-37“金雕”）三角翼（台风）变后掠翼（苏-24）联翼布局（翔龙）三翼面布局（苏-35）飞翼布局（B-2）乘波体布局升力体布局机翼的功用：提供衡向稳定性横向稳定性：是飞机抵抗飞行滚转角扰动的固有能力。滚转运动横向安定面——机翼下单翼中单翼上单翼上单翼、中单翼和下单翼上反角和下反角飞机横向静稳定性上反角增加横向稳定性上单翼增加横向稳定性俯仰运动纵向稳定性：是飞机抵抗俯仰角扰动的固有能力。水平安定面——平尾偏航运动航向稳定性：是飞机抵抗偏航角扰动的固有能力。航向安定面——垂尾机翼的功用：提供操纵面副翼升降舵方向舵后缘襟翼前缘襟翼扰流板民航客机的扰流板位于机翼的上表面、后缘襟翼之前。机翼结构机翼的功用：安装发动机机翼油箱机翼的功用：安装油箱机翼的功用：安装起落架2.2机翼结构机翼上的外部载荷2.2.1布质蒙皮机翼蒙皮是构成并保持机翼形状不可缺少的结构元件。早期飞机上的布质蒙皮(蒙布)仅起维持外形的作用，气动力通过蒙布的张力传递给机翼骨架。随着飞行速度的提高，气动载荷增大，蒙布因难以保持外形而渐被淘汰。飞行者一号”的机翼是由云杉木和帆布构成，飞行员通过线缆和铰链来控制机翼的弯曲和扭转。2.2.2梁式机翼：梁强，少长桁，薄蒙皮机翼梁承受主要弯矩和剪力优点：便于开口、与机身连接简便。缺点：高速时蒙皮易变形，抗扭刚度较差。65翼梁最强有力的纵向构件，承受全部或大部分的弯矩和剪力。翼梁由缘条、腹板和支柱等组成，剖面多为工字型。翼梁固定在机身上。

纵墙(腹板):相当于翼梁，但缘条很弱，甚至没有缘条。墙一般不能承受弯矩，所以与机身的连接为铰接，但纵墙能承受剪力，可和蒙皮组成封闭盒段承受扭矩。1.腹板2.弱缘条纵墙纵墙与翼梁构造相似，但缘条很弱，甚至没有缘条。它多布置在靠近前后缘处,用于传递切力载荷,增加机翼扭转刚度。长桁其主要功用是：（1）支持蒙皮，防止蒙皮因受局部空气动力而产生变形过大；（2）把蒙皮传来的气动力传给翼肋；（3）同蒙皮一起承受由弯矩而产生的拉、压力。翼肋：维持翼剖面形状横向构件：普通翼肋，加强翼肋普通翼肋：用来维持翼剖面形状，将蒙皮上的空气动力传到其它承力构件上去，并支持桁条和蒙皮。加强翼肋：除具有普通翼肋的功用外，还作为机翼结构的局部加强件，承受较大的集中载荷或悬挂部件。蒙皮承受空气动力，形成和维持机翼外形，并承受扭矩，有些机翼蒙皮还承受弯矩。接头:用来连接机翼与机身，把机翼上的力传递到机身隔框上。接头分为固接和铰接两种，固接的接头，接点既不可移动，也不可转动；因此，它既能传递剪力又能传递弯矩。铰接不可移动、但可以旋转，只传剪力，不传弯矩。2.2.3单块式机翼：梁弱，多长桁、厚蒙皮由蒙皮、桁条和缘条组成一整块构件。现代飞机多采用单块式机翼。特点：蒙皮较厚；桁条较多而且较强；弯曲引起的轴向力由蒙皮、桁条和缘条组成的整体壁板承受。优点：能较好的保持翼形；抗弯、扭刚度较大；受力构件分散；缺点：不便于开大舱口；不便于承受集中载荷；接头连：接复杂。翼肋桁条翼梁蒙皮副翼襟翼单块式机翼现代飞机多采用单块式机翼。单块式机翼的构造特点是：蒙皮较厚；桁条较多而且较强；翼梁的缘条较弱，有时缘条的横截面积和桁条差不多。

2.2.4多墙式机翼：梁弱，多纵墙，厚蒙皮。特点：有较高的应力水平和结构效率，刚度大，受力分散，破损安全特性好，但不易大开口，连接复杂。机翼的特点是薄壁结构，因此以上各元件之间的连接大多采用分散连接：如铆钉连接、螺栓连接、点焊、胶接或它们的混合形式——如胶铆等。腹板表示铆接关系缘条缘条翼肋桁条蒙皮翼梁机翼组成：中央翼、左外机翼和右外机翼中央翼盒中央翼盒是连接左右大翼的结构，承受和传递飞机起飞、巡航和着陆过程中机翼及机身传来的各种载荷，是整架飞机受力最重要的部件。一般在机身内部，与机身结为一体。通常只有受力结构，没有完整的机翼外形。中翼是中机身客舱地板的支持构件，也是飞机油箱。（1）桁架式中央翼盒（2）多梁式中央翼盒中央翼盒空客A400m运输机中央翼盒C17运输机中央翼盒C919中央翼C919中央翼盒中央翼盒C-17机翼部分插入机舱，致货舱高度较低。运20的中央翼高出机体，因此不存在这一问题。3.1机身结构作用：（1）固定机翼、尾翼、起落架等部件，使之连成一个整体。（2）装人、载货、装燃油以及各种设备。机身机身的空气阻力机身的阻力占整个飞机阻力的较大部分。机身要具有良好的流线型、光滑的表面、合理的截面形状和尽可能小的横截面积。机身外部载荷机身承受由机翼、尾翼、起落架等部件的固定接头传来的集中载荷，同时还有承受机身上各部件的重力，以及结构本身的重力。机身和机翼一样，同样承受着弯矩、剪力和扭矩。机身与机翼受力比较（1）机翼承载的主要是分布载荷（气动力），而机身主要承载各部件传来的集中载荷。（2）机翼水平方向的抗弯刚度很大，可以不考虑水平载荷的影响。机身必须考虑横向水平载荷的影响，因为机身近似圆形，横向水平和垂直方向的抗弯刚度和载荷都差不多。机身外部载荷（1）对称载荷，如飞机两主轮同时着地承受的地面撞击力。（2）不对称载荷，如水平尾翼不对称载荷，垂尾侧向水平载荷，单主轮着地的撞击力，飞机转弯或侧换时机身部件的侧向惯性力。3.1.1桁架式机身弯矩：四根缘条承受剪力：支柱和斜支柱承受扭矩：四个平面构件组成的立体结构承受特点：抗扭能力差，空气动力性能差，只适合低速飞机92早期的机身——木制或金属管行成的机身骨架优点：结构简单便于制造缺点：最大的缺点不流线，气动性差；抗扭刚度差容积利用差3.1.2硬壳式机身特点：（1）由蒙皮和少量框架、隔框组成。（2）没有纵向加强件（3）蒙皮必须足够强以维持机身的刚性。优点：弯、扭刚度大缺点：（1）结构太重，蒙皮材料利用率低（2）开口补强增重较大。所以这种机身型式实际上用得很少。94早期采用硬壳式机身的飞机3.1.3半硬壳式机身（1）桁梁式机身由大梁、较弱的桁条、蒙皮和隔框组成

①大梁较强（4根）

②桁条弱且少③蒙皮薄优点：可以开大的舱口而不会显著地降低结构的强度和刚度缺点：不宜高速飞行受力特点：剪力和扭矩引起的剪流全部由蒙皮承担；弯矩引起的轴向力主要由桁梁承受；蒙皮与长桁至承受很小部分轴力。3.1.3半硬壳式机身半硬壳式机身（2）桁条式机身由桁条、蒙皮和隔框组成

①无大梁

②桁条强③蒙皮厚优点：机身结构抗扭刚度大，适用于高速飞机。缺点：不宜开大的舱，如果要开口，需要在开口处用专门构件加强。机身主要构件：蒙皮和机翼蒙皮一样，用于维持机身外形，同时和支撑它的构件一起承受和传递气动载荷和弯矩。蒙皮大部分铆接在桁条上，小部分铆接在框架上。机身主要构件：桁条桁条主要承受机身弯曲时产生的轴向力。桁条对蒙皮有支持作用。机身主要构件：大梁（龙骨梁）龙骨梁是一个主要纵向机身部件，对机身、机翼和起落架是一个重要的支撑部件。机身主要构件：隔框机身隔框分为普通隔框和加强隔框。普通隔框的作用是保持机身的外形、提高蒙皮的稳定性和承受局部气动力。加强隔框除了上述功能外，还可承受大的集中载荷。机身主要构件：地板梁地板骨架由纵梁和横梁组成。横梁两端连接在机身隔框上，并与纵梁和垂直柱构成承力骨架。纵梁还可以作为安装和固定座椅的导轨。3.2增压座舱结构增压舱是将机身的一部分做成密封结构，从气源系统引出的增压空气，经空调和压力自动调节装置后进入座舱，可保证座舱内的压力按预定的规律变化。增压舱五问（1）问：客舱为什么要增压？答：客舱增压的主要原因是因为现在的飞机飞行高度有了增加。由于低空大气存在很大的不稳定性以及低空空域日渐拥挤，所以现在的飞机开辟了在高空的新航路。飞行高度的升高随即带来了客舱压力降低等一系列后果。当飞机飞到7000米的高度时，人体会感到明显的不适。故此为了保证乘客的安全和乘坐时的舒适度，飞机必须进行客舱增压。一般需保持在飞机的最大飞行高度下，客舱内的压力水平必须保持同2400米高度时大气压力相同。增压舱五问（2）问：飞机的增压区域有哪些？答：飞机的主要增压区域包括驾驶舱、客舱和货舱。增压舱五问（3）问：增压客舱构造是什么样的？答：为了保证客舱在增压后能够承受内外压差而不被损坏，飞机在结构上进行了加固。压力比较集中的是在机头和机身后部，故分别安装了前后增压隔板。前压力隔板为平面形位于前部雷达整流罩后方。后压力隔板为半球形，位于机身尾部。增压舱五问（4）问：客舱失压会怎么样？答：客舱失压出现的原因可能是由于增压系统出现故障、结构损伤导致客舱压力泄露以及舱门故障破损等。1985年8月12日，日本航空一架波音747客机由于后增压隔板破损，氧气泄露，失压爆炸后导