飛機結構分析與設計講稿.ppt

1,第 十 講,飛機結構分析與設計,2,3.8 機翼結構形式確定與結構布置,一、機翼結構設計的內容,具體地說，機翼的結構設計是指，根據給出的原始依據，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。,3,二、機翼結構設計的原始依據,機翼結構設計的原始依據,展弦比 ,機翼展長 l,翼型相對厚度C,后掠角 ,梯形比 ,強度剛度規(guī)范及設計參數,4,三、機翼結構設計的步驟,機翼結構設計的具體步驟：,5,四、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協調需要作小的更改。,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小；連接簡單，對接點少。,機翼結構形式的確定,6,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,7,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。,8,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,9,（1）機翼的相對載荷 M/HaB,B 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,10,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、l、n 等參數愈大，C 愈小，則相對載荷愈大。,機翼對稱面上的最大彎矩為,11,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。,12, 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。,13,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。,總結,總 結 僅就相對載荷和有效高度比這兩個參數來分析（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。,14,舉 例,15,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e力求與結構的許用應力相等,許用應力的確定,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,結構疲勞斷裂設計,結構穩(wěn)定性設計,受壓面,16,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,17,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,5、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,18,五、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。,19,1、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 數量：一般現代運輸機上，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。,20,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。,統計結果顯示，機翼的肋間距有以下規(guī)律,21,加強翼肋應根據結構安排和連接點集中力大小來布置。,翼肋的布置,EF2000,22,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。,23,桁條的布置 數量：桁條的間距根據蒙皮失穩(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。 在現代后掠機翼上，正交布置采用得較多。,桁條的布置,統計結果表明