飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(第2章)2012

1、第二章、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載和設(shè)計(jì)規(guī)范第二章、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載和設(shè)計(jì)規(guī)范2022-6-11本章內(nèi)容本章內(nèi)容2.1 2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2.2 2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2.3 2.3 復(fù)雜載荷情況復(fù)雜載荷情況2.4 2.4 飛機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)范飛機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)范第二章、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載和設(shè)計(jì)規(guī)范第二章、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載和設(shè)計(jì)規(guī)范2022-6-12 飛機(jī)作為運(yùn)載工具要求反復(fù)使用，可能經(jīng)歷各樣的復(fù)雜載荷歷程。最主要、最基本的有哪些？ 對結(jié)構(gòu)的影響作用是什么？這是設(shè)計(jì)師們關(guān)心的基本問題；其次是不同載荷形態(tài)與主要載荷的差異以及這些載荷的變化規(guī)律（包括大氣氣象規(guī)律的統(tǒng)計(jì)）。1

2、. 思維要點(diǎn)：主要載荷形式；主要載荷分類； 作用于結(jié)構(gòu)如何分析。第二章、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載和設(shè)計(jì)規(guī)范第二章、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載和設(shè)計(jì)規(guī)范2022-6-13 是指飛機(jī)在起飛、飛行、著陸和地面滑行等使用過程中，作用在機(jī)體各部分上的氣動力、重力和地面反力等外力總稱。飛機(jī)外載荷：飛機(jī)外載荷分類：飛行時外載荷起飛、著陸時的外載荷第二章、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載和設(shè)計(jì)規(guī)范第二章、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載和設(shè)計(jì)規(guī)范2022-6-14飛機(jī)外載荷取決于：飛行時外載荷起飛、著陸時的外載荷使用情況起落架的減振特性外形的氣動力特性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算的重要依據(jù)飛機(jī)的外載荷強(qiáng)度規(guī)范2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2022-6-15飛機(jī)的升力要求作用在重力

3、的后面，目的是為了保證飛機(jī)的穩(wěn)定性。2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2022-6-16空中飛行情況升力Y阻力X飛機(jī)的重力G發(fā)動機(jī)推力T空中飛行情況2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2022-6-17地面運(yùn)動情況地面運(yùn)動情況2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2022-6-18載荷的參照坐標(biāo)系：載荷的參照坐標(biāo)系：機(jī)體坐標(biāo)系機(jī)體坐標(biāo)系 飛機(jī)上的坐標(biāo)系2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2022-6-19飛機(jī)在空中飛行時的受載情況：式中：xmaXTytwmaGYYzztwaIcdYcY)(機(jī)翼升力；尾翼升力；方向的加速度；飛機(jī)繞z軸的質(zhì)量慣性矩；飛機(jī)繞z軸的角加速度wYtYyxaayx,zIza2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2022-6

4、-110一、等速直線平飛時的受載情況：升力Y阻力X飛機(jī)的重力G發(fā)動機(jī)推力T等速直線平飛GY XT 1GY（牛頓第一定律）2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2022-6-111飛機(jī)的外載圖像演示飛機(jī)的外載圖像演示2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2022-6-112二、俯沖后拉起時的受載情況：俯沖拉起2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2022-6-113對稱面內(nèi)作曲線機(jī)動飛行情況（縱向飛行）飛機(jī)的升力使飛機(jī)保持向心曲線運(yùn)動。一、俯沖拉起:動平衡關(guān)系：（機(jī)體坐標(biāo)系y向）1GY表現(xiàn)了運(yùn)動的變速特征（曲線運(yùn)動）設(shè)飛機(jī)的速度為v，航跡曲率半徑為r則法向速度為rvay2rmvmaNyy2mgG grGvNy22.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主

5、要載荷2022-6-114ymaGYcosyNGYcosgrvGY2cos俯沖后拉起升力等于G乘上一個系數(shù)，等速平飛1GY該系數(shù)稱為載荷系數(shù)。2.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷2022-6-115分析該曲線運(yùn)動中，yN的特性oygrvn012maxmaxyn（1）（2）（3）方成正比，這表明：若maxyn一定，v一定，則運(yùn)動半徑就規(guī)定了；太 小，則結(jié)構(gòu)承載發(fā)生問題；若maxyn一定，r一定，則速度受限制。 由此看來，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個重要的無量綱載荷系數(shù)。與曲線航跡半徑成反比，與切線運(yùn)動速度的平2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-1161. 載荷系數(shù)的概念： 除重力外，作用在飛機(jī)某方向上的所有外

6、力的合力與當(dāng)時飛機(jī)重量的比值，稱為該方向上的載荷系數(shù)。表示zyxnnn,e.g. 平直勻速飛行：1yn，平直勻速倒飛：1yn （-Y/G Y與機(jī)體坐標(biāo)系相反）Note: 對重力視可不見； 千萬不能計(jì)及慣性力； 機(jī)體坐標(biāo)系為正向； 載荷系數(shù)是一矢量，分量用2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-117 表示了作用于飛機(jī)重心處的外力與飛機(jī)重力 的比值關(guān)系； 表示了飛機(jī)質(zhì)量力（重力與慣性力均與質(zhì)量有 關(guān)，故統(tǒng)稱為質(zhì)量力）與重力的比率。（應(yīng)注 意質(zhì)量力與外力方向相反） 飛機(jī)的質(zhì)量力應(yīng)當(dāng)是飛機(jī)的各部分質(zhì)量力之和：2. 物理意義：2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-118 飛機(jī)中的某集中質(zhì)量G

7、I=mig，作用在結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量力 為：iyiyiiGnPnGP或分量 當(dāng)飛機(jī)沿x方向有變速運(yùn)動時，x向慣性力：dtdvgGmaNx若俯沖拉起中的曲線運(yùn)動中，切向是加速運(yùn)動，則：sin1sin/ )(dtdvgGGNGXTnxx nz= 0（飛機(jī)展向變速平移難）；az一般較小，在大機(jī) 動飛行中可能出現(xiàn)。 2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-1193. 實(shí)用意義： 作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時重要原始載荷系數(shù)； n 的大小實(shí)際反映了飛機(jī)的機(jī)動性能； 結(jié)合n 和已知的氣動力分布，可獲得實(shí)際作用 于結(jié)構(gòu)上載荷的大小，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)與校驗(yàn)。 可通過在飛機(jī)重心處安裝加速度計(jì)來獲取。2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系

8、數(shù)2022-6-120過載表1-彈簧，2-重塊，3-指針，4-阻尼器2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-121二、其他飛行姿態(tài)的載荷系數(shù)計(jì)算:1. 進(jìn)入俯沖情況：rvgGmaGYy2cosgrvny2cos視v與r的不同情況，ny可能為正，也可能為負(fù)，還有可能為零2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-1222. 垂直俯沖情況：此時：GGNGXTnxx0, 0ynYx方向的載荷系數(shù)：發(fā)動機(jī)的推力T=0時，自由落體運(yùn)動，機(jī)內(nèi)各裝載物均沒有垂直（x方向）的力作用于結(jié)構(gòu)上2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-1233. 等速水平盤旋情況：這也是飛機(jī)機(jī)動性能的主要指標(biāo)之一等速水平盤旋

9、2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-124GY 1GYcoscosGY cos1YGny盤旋傾斜角越大，過載系數(shù)越大在水平方向上，向心力與離心2Y慣性力hN平衡sin2YYNh2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-1254. 垂直突風(fēng)情況：各種方向風(fēng)突中最嚴(yán)重的情況2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-126（1）升力：SvCYy221為升力系數(shù)；式中：-yC為大氣密度；-為氣流速度；-v為機(jī)翼面積；-S時：當(dāng)00tanvu0vuCCCCyyyy2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-127因?yàn)椋?2121020020uSvKCvSvuKCYvSCKYyyypuvKCG

10、SuvKCGYYnyyy2121000計(jì)算載荷系數(shù)為：2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-128三、飛機(jī)轉(zhuǎn)動時的載荷系數(shù):（1）飛機(jī)轉(zhuǎn)動(升降)時的載荷系數(shù)：2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-129（1）飛機(jī)轉(zhuǎn)動時的載荷系數(shù)： 1）運(yùn)動分析： 轉(zhuǎn)動+平移當(dāng)平尾產(chǎn)生機(jī)動載荷時,飛機(jī)產(chǎn)生平移與旋轉(zhuǎn)；該載荷克服了飛機(jī)原有的平飛狀態(tài),使飛機(jī)在上述兩個運(yùn)動中產(chǎn)生加速度。從動平衡角度,平尾機(jī)動載荷與它克服的慣性力及力矩相平衡2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-130、平移速度載荷系數(shù)(質(zhì)點(diǎn))(外載分析法)GYGYGYGYntmtewytiztmiiziiiiiiyyrxILYgG

11、xmGamGNn1、繞中心轉(zhuǎn)動的載荷系數(shù)(質(zhì)量力分析法) i 表示轉(zhuǎn)動軸線上的任意位置 yrytynnn2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-131（2）裝載或設(shè)備作用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量力：俯沖拉起時裝載物變重特點(diǎn)不考慮繞重心的加速度時裝載物的載荷系數(shù)與飛 機(jī)重心處得載荷系數(shù)相同飛機(jī)的質(zhì)量力為飛機(jī)各部分質(zhì)量力之和，出現(xiàn)載荷系數(shù)后，總的質(zhì)量力增大為).(321nGGGGnnG2.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-132飛機(jī)里重力為的裝載或設(shè)備作用在結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量力為),.,3 , 2 , 1(ninGPiiiGY方向上的質(zhì)量力為iyiyGnP *飛機(jī)上較長的裝載物（如：發(fā)動機(jī)，油箱，導(dǎo)彈等），則

12、不能簡單的當(dāng)做一個質(zhì)點(diǎn)來考慮。這樣會帶來較大的誤差。此時，其繞飛機(jī)重心的質(zhì)量慣性矩為：zGziizGaIxgGIii022.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-133iGzI0是某個長裝載物繞其自身重心轉(zhuǎn)動的質(zhì)量慣性矩。因此，在他本身的中心處將會出現(xiàn)一個集中的慣性力矩iGzM0zGzGzaIMii00計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力時應(yīng)當(dāng)計(jì)入2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-134四、著陸時的載荷系數(shù):2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-135著陸時過載的定義與空中飛行時的區(qū)別空中飛行時：實(shí)際著陸載荷與飛機(jī)停在地面上的載荷之比：即11GYny表示GYNGPPnlyylg0lg著陸時過載不允許過大，一

13、般43yn原因是著陸或滑行時情況多樣：znnx或可能發(fā)生2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-136五、飛機(jī)設(shè)計(jì)時最大載荷系數(shù)的選取1.影響選擇最大載荷系數(shù)的因素i. 載荷系數(shù)實(shí)際反映了飛機(jī)的機(jī)動性能,因此越大越好,但對運(yùn)輸機(jī)或客機(jī)則沒有太大必要。. 載荷系數(shù)又反映了對結(jié)構(gòu)的載荷作用, 載荷系數(shù)越大,表明飛機(jī)結(jié)構(gòu)的承載越大,要有足夠的剛、強(qiáng)度，則結(jié)構(gòu)重量大。2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-137.載荷系數(shù)的載荷作用，不僅對結(jié)構(gòu)有作用，而且對機(jī)載設(shè)備及乘員有載荷作用。載荷系數(shù)越大，對他們的作用越強(qiáng)，要視他們的承受能力而定。.飛行時的載荷系數(shù)（除突風(fēng)干擾外），一般來自于發(fā)動機(jī)的推

14、力，載荷系數(shù)大，結(jié)構(gòu)要重，發(fā)動機(jī)的加力性能要好，即剩余推力要大。. 載荷系數(shù)的選擇影響因素眾多，要依據(jù)技術(shù)性能要求綜合確定,并不是越大越好。2.2 典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)2022-6-138 2.人對過載的反映： 說明人在短時間承受較大過載尚可，特別是正過載。較長時間承受過載能力很差，特別是負(fù)過載。 戰(zhàn)斗機(jī)的過載一般為-3-8民機(jī)則無必要。3.提高人抗過載的能力： 抗過載服，過載座艙。4.規(guī)范中的過載系數(shù)可供選擇(飛行包線上給定）。 2.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-1392.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-140靜載荷動載荷溫度載荷疲勞載荷復(fù)雜載荷2.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-141 一、

15、疲勞載荷一、疲勞載荷 飛機(jī)遇到載荷長期反復(fù)變化地作用，這種作用會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的“疲勞” 破壞，因此這種載荷歷程一般稱為“疲勞”載荷。大氣紊流的作用，是民機(jī)、運(yùn)輸機(jī)的重要疲勞 載荷，大氣紊流的強(qiáng)度以及作用的次數(shù)統(tǒng)計(jì)；飛機(jī)機(jī)動（變速）飛行中升力變化載荷，是軍機(jī)的 主要疲勞載荷，機(jī)動飛行的種類,飛行次數(shù)等； 氣密壓艙一個飛行起落中，壓力的變化，增壓載 荷的變化規(guī)律，作用次數(shù)等統(tǒng)計(jì)；4.一個起落一次撞擊，撞擊載荷的強(qiáng)度； 2.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-142指地面滑行飛機(jī)顛簸所受到的載荷，與飛 機(jī)跑道的質(zhì)量、飛機(jī)的重量等有關(guān)；飛行地面滑行時的1g載荷變化到空中飛行的1g載荷，這種均值載荷的變化也是疲勞

16、載荷；機(jī)翼尾流對尾翼的周期性作用 tp2.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-143 設(shè)備工作的影響； 人員的不適； 結(jié)構(gòu)疲勞導(dǎo)致缺陷生長成裂紋并不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致斷裂 疲勞載荷是飛機(jī)設(shè)計(jì)中最重要的考慮因素，是定壽的基本依據(jù)。 2.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-144單發(fā)停車、單發(fā)停車、尾旋、尾旋、單輪著地、單輪著地、打地轉(zhuǎn)、打地轉(zhuǎn)、機(jī)頭碰地、機(jī)頭碰地、飛機(jī)翻倒、飛機(jī)翻倒、強(qiáng)迫著陸等況。強(qiáng)迫著陸等況。1、非正常狀態(tài)載荷:2.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-145 2、鳥撞載荷鳥撞試驗(yàn)，2km以下最大飛行速度飛行時風(fēng)檔承受1.8kg鳥撞。 3、冰雹載荷 防冰、破冰措施，考慮承受冰雹撞擊（密度、直徑、速度

17、等）4、噪聲：聲壓場測量 n預(yù)測聲載荷大小、分布、作用時間，聲振結(jié)構(gòu)疲勞分析n動力裝置噪音：螺旋槳、壓氣機(jī)、噴氣的噪音n空氣動力噪音：附面層壓力波動、尾流、激波振蕩n武器發(fā)射噪音：機(jī)炮、導(dǎo)彈、火箭發(fā)射5、瞬時的響應(yīng)載荷起飛助推、外掛物投放、彈射等對飛機(jī)結(jié)構(gòu)作用的載荷。 2.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-146 前面的載荷譜為載荷大小隨時間的變化，即載荷時間歷程，環(huán)境譜則為環(huán)境強(qiáng)度隨時間的變化，即環(huán)境時間歷程。 一架飛機(jī)使用壽命：民機(jī)3000060000飛行小時 軍機(jī)30008000飛行小時 日歷壽命2025年 地面停放的影響主要是環(huán)境。 確定飛機(jī)使用環(huán)境種類（根據(jù)飛機(jī)的特定用途和使用方法） 根

18、據(jù)戰(zhàn)、技要求或使用要求，確定飛機(jī)在不同地域服役時間 根據(jù)使用任務(wù)剖面（規(guī)定了任務(wù)類型、有效負(fù)載、飛行時間和該任務(wù)的使用百分比），確定各任務(wù)段的時間比例及地面停放時間比例； 獲取環(huán)境數(shù)據(jù)； 編制各類環(huán)境譜。2.3 復(fù)雜載荷情況2022-6-147 高速氣流運(yùn)動（一般）在機(jī)體表面的摩擦生熱，與環(huán)境溫度及 飛行速度有關(guān)： 發(fā)動機(jī)燃燒及其尾部熱氣流對結(jié)構(gòu)的作用。 一般降低結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)、剛度； 產(chǎn)生熱變形/熱應(yīng)力； 均勻溫度對靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱變形而無熱應(yīng)力； 溫度梯度產(chǎn)生熱變形和熱應(yīng)力； 均勻溫度對靜不定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱應(yīng)力。 熱的蠕變效應(yīng)。)2.01(2aHMTTt2.4 飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 2022-6-148

19、指定設(shè)計(jì)規(guī)范的意義：對飛機(jī)設(shè)計(jì)和研制給出全面要 求的指令性技術(shù)文件，是飛機(jī)設(shè)計(jì)員的工作依據(jù). 政府與權(quán)威研究機(jī)構(gòu)組織制定，也可與設(shè)計(jì)主管部門 共同制定。 設(shè)計(jì)規(guī)范不是統(tǒng)一的，而是針對不同的飛機(jī)類型制定 不同的設(shè)計(jì)規(guī)范，因?yàn)轱w機(jī)的任務(wù)與技戰(zhàn)術(shù)要求不同。 設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)手冊是飛機(jī)設(shè)計(jì)人員的基本工具。 2.4 飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 2022-6-1491.設(shè)計(jì)情況定義： 飛機(jī)使用過程中，應(yīng)從各種可能出現(xiàn)的使用情況中，總結(jié)歸納出一些具有代表性的最嚴(yán)重的情況，這些最嚴(yán)重的情況稱之為設(shè)計(jì)情況。設(shè)計(jì)情況使飛機(jī)結(jié)構(gòu)易遭到破壞人員易受到損傷2.4 飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 2022-6-150n最大的正向和反向載荷情況n對主要結(jié)構(gòu)

20、件將產(chǎn)生危險損壞的載荷情況n對人員將產(chǎn)生損傷的載荷情況n對飛行戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響的載荷情況n總載不大，但載荷作用的情況特殊，影響嚴(yán)重，也作為設(shè)計(jì)情況考慮。n對稱機(jī)動飛行包線的A, B, D, E情況n非對稱機(jī)動中的滾轉(zhuǎn)機(jī)動、滾轉(zhuǎn)改出n對稱著陸情況、偏航著陸、單個起落 架著陸情況等。2.4 飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 2022-6-1512.規(guī)定了飛機(jī)的分類及其相應(yīng)的載荷系數(shù)（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 規(guī)范） 按用途分： 殲擊機(jī)（J）；強(qiáng)擊機(jī)（Q）；殲擊教練機(jī)（JJ） 多用途機(jī)（DY）；教練機(jī)（JL）；轟炸機(jī)（H） 大型運(yùn)輸機(jī)（YH） 用機(jī)動性分: 機(jī)動類（殲擊機(jī)，強(qiáng)擊機(jī)及相應(yīng)的教練機(jī)）ny=-38 半機(jī)動類（戰(zhàn)術(shù)轟炸機(jī)，多用途飛機(jī)） ny=-24 非機(jī)動類（戰(zhàn)略轟炸機(jī)，運(yùn)輸機(jī)） ny=-132.4 飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 2022-6-1523.設(shè)計(jì)重量 最小飛行重量；空機(jī)重5燃油最少乘員 最大設(shè)計(jì)重量；攜帶最大機(jī)內(nèi)及機(jī)外裝載 基本飛行設(shè)計(jì)重量；空機(jī)