飛機結構分析與設計講稿

飛機結構分析與設計講稿第一頁，共26頁?！?.8機翼結構形式確定與結構布置一、機翼結構設計的內(nèi)容機翼設計外形設計結構設計根據(jù)飛機的戰(zhàn)術、技術要求或使用要求、性能指標等，設計機翼的外形，確定機翼的主要幾何參數(shù)。根據(jù)飛機總體設計階段所提供的依據(jù)（其中包括外形設計），設計出能夠滿足各項要求的具體機翼結構。具體地說，機翼的結構設計是指，根據(jù)給出的原始依據(jù)，合理地選擇機翼的受力形式，布置機翼的主要受力構件，確定沿展向各剖面處縱向元件的尺寸，并對各主要受力構件進行設計。2第二頁，共26頁。二、機翼結構設計的原始依據(jù)機翼結構設計的原始依據(jù)翼載p=Y/S或G/S機翼面積S機翼最大過載系數(shù)n全機參數(shù)機翼外形參數(shù)機翼的位置機翼內(nèi)部布置上、中、下單翼分開或貫穿機身機翼-機身連接方式機翼整體油箱、安裝起落架等展弦比

λ機翼展長

l翼型相對厚度C后掠角χ梯形比η強度剛度規(guī)范及設計參數(shù)3第三頁，共26頁。三、機翼結構設計的步驟機翼結構設計打樣設計工作設計機翼內(nèi)部安排、確定設計分離面、選擇結構型式、布置主要受力構件、繪制機翼理論圖及打樣圖。完成機翼零、構件設計，畫出從零件、構件、組件到部件的全套生產(chǎn)圖紙，并完成機翼強度、剛度、壽命的全部計算。機翼結構設計的具體步驟：外載和內(nèi)力計算內(nèi)部安排，確定結構型式、設計分離面、對接方式，布置主要受力構件，繪制打樣圖設計計算，對各元件的強度進行設計繪制機翼理論圖打樣設計階段4第四頁，共26頁。機翼結構元件設計結構強度、剛度校核計算繪制生產(chǎn)圖紙給出疲勞壽命和檢查周期工作設計階段四、機翼結構型式的選擇(屬打樣設計階段)機翼的結構型式在總體設計階段就已進行了初步考慮?？傮w方案確定后，各部件的結構受力型式和主要受力構件的布置也就基本確定，在結構設計中只是根據(jù)協(xié)調(diào)需要作小的更改。1、各種受力結構型式的特點及其材料分布梁式主要結構特點是:

縱向有很強的翼梁，蒙皮較薄，長桁較弱，梁的緣條剖面與長桁剖面相比要大得多。優(yōu)點:

結構簡單，蒙皮上打開口方便，開口對結構承彎能力影響很??；連接簡單，對接點少。機翼結構形式的確定5第五頁，共26頁。缺點:

蒙皮未能發(fā)揮承彎作用，材料利用不充分；蒙皮易失穩(wěn)，影響氣流質(zhì)量，增大阻力，并易導致早期疲勞損壞；生存性低。

單塊式主要結構特點是：長桁較多較強，蒙皮較厚，翼肋較密，一般梁緣條的剖面面積不大，有時只布置縱墻而不采用緣條面積較大的翼梁。優(yōu)點：

蒙皮在氣動載荷作用下變形較小，氣流質(zhì)量高。材料向外緣分散，抗彎、抗扭強度及剛度均有所提高。安全可靠性好。缺點：

結構復雜，對開口敏感。與中翼或機身接合點多，連接復雜。單塊式機翼的結構特點6第六頁，共26頁。多腹板式主要結構特點是：這類機翼布置了較多的縱墻，蒙皮較厚。厚蒙皮單獨承受全部彎矩。優(yōu)點：抗彎材料分散在剖面上下緣，結構效率高；局部剛度及總體剛度大；受力高度分散，破損安全特性好，生存性高。缺點：不宜大開口；與機身連接點多。多腹板式機翼的結構特點梁式、單塊式、多腹板式三種機翼受力型式的主要區(qū)別在于承受彎矩引起的正應力元件面積的分散度不同，因而當元件總面積相同時，通常是后者的形心距較高，結構效率可能較高，重量可能較輕。但對于具體情況有待進一步分析。7第七頁，共26頁。梁式機翼蒙皮薄，在翼盒閉室面積相同情況下，扭轉剛度小，一般翼面相對厚度較大的低速飛機較多采用。單塊式機翼蒙皮較厚，扭轉剛度也較好，對提高顫振臨界速度很有利，一般被小、中、大展弦比，速度較高的飛機采用。多墻式機翼蒙皮很厚，并以多個腹板形成的翼盒多閉室受扭，提高了扭轉剛度，剛度最好，一般中、小展弦比，相對厚度小的高速飛機采用。2、翼型厚度和扭轉剛度8第八頁，共26頁。（1）機翼的相對載荷

M/HaBB—受力翼盒的弦長（近似取為60%的弦長）Ha

翼盒的平均高度（近似取為80%翼型最大高度）相對載荷的意義：代表壁板以寬柱型式受力時，單位寬度壁板上所受的軸向力。3、相對載荷、有效高度比9第九頁，共26頁。假設略去后掠角和梯形比的影響，估算時近似地把后掠機翼簡化為平直矩形機翼，同時略去機身段的影響，后掠、平直機翼相對載荷估算公式為（主要從受壓區(qū)的情況進行分析）相對載荷為可見G/S、λ、l、n

等參數(shù)愈大，C

愈小，則相對載荷愈大。機翼對稱面上的最大彎矩為10第十頁，共26頁。He

—有效高度，上、下緣條的形心間距。（2）有效高度比

討論當相對載荷很小時

采用分散受力型式，根據(jù)b決定的蒙皮與桁條的面積可能很小，而其失穩(wěn)臨界應力cr就可能大大低于b

。因此，如果按cr確定構件尺寸，從b來看，材料利用就不充分。11第十一頁，共26頁。

討論如果采用梁式，由于受正應力的面積集中在梁緣條，其截面積就較大，不易失穩(wěn)。雖然緣條形心離蒙皮內(nèi)表面的距離較大，而使He有所降低，但總的說來可能還是有利的。特別當C較大時，He

也沒有明顯降低。當相對載荷愈大時

采用分散受力型式，其長桁、蒙皮在各切面處的面積不致太小，不易失穩(wěn)，也即cr不致很小。分散受力型式，上、下縱向元件的形心間距大，結構效率高些，總的來說是有利的。12第十二頁，共26頁。多腹板式相對于單塊式結構，因材料的分散度更大，有效高度比更大，因而更有利?？偨Y總結

僅就相對載荷和有效高度比這兩個參數(shù)來分析（對于梯形比在1-4之間的平直機翼和后掠機翼），一般說來當M/HaB

較大、相對厚度c較小時，宜采用多腹板式結構；當M/HaB

較大、相對厚度c較大時，宜采用單塊式結構；當M/HaB

較小、相對厚度c較大時，宜采用梁式結構。13第十三頁，共26頁。機種F-86D米格-15F-104波音-707L-29幻影-Ⅲ平面形狀后掠后掠平直后掠平直三角形相對厚度11.5%10.4%3.36%12%17%4%相對載荷(105)4.703.625.8519.32.120.82有效高度比(%)9190.5結構型式單塊式單塊式多腹板式單塊式單梁式多梁式舉例14第十四頁，共26頁。按強度要求選擇機翼結構布局，主要是采用“滿應力”的方法，即結構的工作應力σe力求與結構的許用應力[σ]相等許用應力[σ]的確定外載荷4、提高受壓破壞平均應力結構模型有限元分析滿應力準則受拉面[σ]結構疲勞斷裂設計結構穩(wěn)定性設計受壓面[σ]15第十五頁，共26頁。在結構形式選擇和主要受力構件布置時，可先按穩(wěn)定性要求初步確定最小質(zhì)量布局，然后用疲勞、損傷容限分析檢查受拉翼面等等，進一步修改整個一面結構。影響翼面結構質(zhì)量最主要的載荷為翼面的最大彎矩。將受力翼盒上的彎矩與翼面結構特性組合起來，定義翼面載荷指數(shù)p為4、提高受壓破壞平均應力其中h—翼盒上下剖面形心間的高度16第十六頁，共26頁。每種結構都有其最佳適用范圍。按穩(wěn)定性設計各種結構最小重量適用范圍有4、提高受壓破壞平均應力結構形式載荷指數(shù)p翼面相對厚度c夾層板結構<1>10加筋板結構1~104~10多墻結構>10<6夾層盒結構>10<6梁式結構1~105~105、翼身相對位置及機身空間6、空間及開口總體布局7、變后掠翼的布局特點17第十七頁，共26頁。五、機翼主要受力構件布置機翼主要受力構件布置——是指具體確定機翼主要受力構件的布置方式、數(shù)量和位置。主要受力構件有：梁、墻、加強肋、普通肋、桁條等。1、主要受力構件布置的原則確保氣動載荷引起的彎、剪、扭能順利可靠地傳向機身。受力構件布置要力求簡練，一般來說，傳力越直接越好，結構重量越輕。布置加強構件應盡量做到綜合利用，以減輕重量。布置受力構件時要有全局關。18第十八頁，共26頁。1、主要受力構件布置的原則損傷容限設計。改善結構工藝性和使用維護性。注意結構的現(xiàn)實性和先進性，適當采用新結構、新材料和新工藝。2、主要受力構件的布置梁與墻的布置數(shù)量：一般現(xiàn)代運輸機上，機翼至少有兩根梁。一是因為要形成承扭閉室，二是因為可作整體油箱壁板。位置與布置方式：一般前梁位于能與機翼前緣縫翼、前緣襟翼（如有的話）相連的位置；后梁在能與操縱面相連的位置。19第十九頁，共26頁。

從受力合理看：(1)梁最好能縱貫全翼展，且軸線盡量不折轉；(2)盡可能布置在結構高度較大的部位；(3)沿展向最好按弦長等百分比線布置。翼肋的布置翼肋的布置數(shù)量：翼肋間距可按蒙皮格子的臨界應力的大小確定，也可按桁條總體和局部失穩(wěn)臨界應力相等的要求確定。最佳肋間距小型飛機中型飛機重型飛機500mm左右300mm600mm800mm統(tǒng)計結果顯示，機翼的肋間距有以下規(guī)律20第二十頁，共26頁。加強翼肋應根據(jù)結構安排和連接點集中力大小來布置。翼肋的布置位置與布局方式：

普通翼肋順流布置翼肋翼肋的布置加強翼肋正交布置EF200021第二十一頁，共26頁。順流布置的優(yōu)點——維持機翼剖面形狀較好；相同翼肋間距下，數(shù)量要少等等。順流布置的缺點——翼肋長度增加；緣條扭曲；蒙皮受剪穩(wěn)翼肋的布置定性差；結構質(zhì)量重；與梁、桁條連接工藝復雜等等。順流布置的應用——一般用于平直翼、三角翼，以及機翼蒙皮較厚，翼肋對蒙皮支持作用較小，或機翼局部區(qū)域。22第二十二頁，共26頁。桁條的布置數(shù)量：桁條的間距根據(jù)蒙皮失穩(wěn)臨界應力來定確定。正交布置的優(yōu)點、缺點與順流肋恰好相反。在現(xiàn)代后掠機翼上，正交布置采用得較多。桁條的布置小型飛機中型飛機大型飛機蒙皮面積/桁條面積60-100mm100-140mm140-200mm(11:9)~(7:3)統(tǒng)計結果表明,桁條間距23第二十三頁，共26頁。位置與布局方式：

按百分比線布置(聚交式)長桁布置