第06講-翼面結(jié)構(gòu)(1)

第六講飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)1第四章機(jī)翼、尾翼結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)§4.1機(jī)翼的功用與要求機(jī)翼的用途一、機(jī)翼的功用產(chǎn)生升力，保證飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)所規(guī)定的飛行和機(jī)動(dòng)性能要求保證飛機(jī)橫向穩(wěn)定性、操縱性以及增升、增阻效能安裝起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)、武器等裝載燃油、軍械、設(shè)備等21-骨架翼粱；2-腹板和桁條；3-襟翼；4-擾流片；5-副翼；6-蒙皮；7-前緣縫翼；8-掛架；9-翼肋機(jī)翼的構(gòu)成3機(jī)翼的質(zhì)量機(jī)翼占飛機(jī)機(jī)體質(zhì)量的30%~50%；占整個(gè)飛機(jī)質(zhì)量的8%~15%。機(jī)翼占飛機(jī)全阻力的30%~50%。4飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求氣動(dòng)要求重量要求使用維護(hù)要求工藝要求二、機(jī)翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求機(jī)翼的設(shè)計(jì)要求與上述四項(xiàng)基本要求是一致的，然而由于功用不同，側(cè)重點(diǎn)有所不同。機(jī)翼的主要要求：氣動(dòng)、強(qiáng)度、剛度、壽命、重量要求是主要要求。這是由機(jī)翼的功用、載荷和外形特征因素所決定的。5重量要求：在外形、裝載和連接情況已定的條件下，重量（包括重量分布）要求是機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求，就是要設(shè)計(jì)出一個(gè)既能滿足強(qiáng)度、剛度和一定壽命要求，而又盡可能輕的結(jié)構(gòu)來。（強(qiáng)度包括：靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等）氣動(dòng)要求：機(jī)翼主要用于產(chǎn)生升力，因此主要是空氣動(dòng)力方面的要求。機(jī)翼的氣動(dòng)特性由其外形參數(shù)（展弦比λ、相對厚度c、后掠角χ等）來保證，這些參數(shù)在總體設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，則從強(qiáng)度、剛度、表面光滑度等各方面保證機(jī)翼氣動(dòng)外形要求。機(jī)翼的主要要求（1）6使用、維護(hù)要求：要求飛機(jī)使用方便，并便于檢查、維護(hù)和修理。機(jī)翼內(nèi)部通常有操縱系統(tǒng)零構(gòu)件、燃油管路、電器線路、液壓管路等，對這些系統(tǒng)和線路要經(jīng)常檢查調(diào)整。機(jī)翼內(nèi)部安排有整體油箱時(shí)，需常對油箱進(jìn)行檢查維護(hù)，以保證油箱的密封可靠。按破損安全原則設(shè)計(jì)的機(jī)翼，對影響飛行安全的結(jié)構(gòu)需定期檢查。對所有要求檢查維護(hù)的部位，都應(yīng)有良好的可達(dá)性，必須設(shè)置一定數(shù)量的開口。工藝性和經(jīng)濟(jì)性要求：與一般的飛機(jī)結(jié)構(gòu)相同。機(jī)翼的主要要求（2）7§4.2機(jī)翼的載荷與內(nèi)力一、機(jī)翼的外載荷1、氣動(dòng)載荷：空氣動(dòng)力載荷

qa

是分布載荷，直接作用在機(jī)翼的主體和各副翼的表面上。各副翼本身雖承受分布載荷，但因它們都以有限的連接點(diǎn)與機(jī)翼主體相連，因此這些載荷均通過接頭以集中力形式傳給機(jī)翼主體。作用在機(jī)翼上的載荷有氣動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)質(zhì)量載荷接點(diǎn)載荷分布載荷集中載荷82、結(jié)構(gòu)質(zhì)量力：機(jī)翼本身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量力

qc，也是分布載荷。3、接點(diǎn)載荷：連接在機(jī)翼上的其它部件傳來的力和布置在機(jī)翼內(nèi)外各種裝載產(chǎn)生的質(zhì)量力。除了在以翼箱作為整體油箱情況下燃油產(chǎn)生的載荷是分布載荷外，一般這些載荷均是通過幾個(gè)連接點(diǎn)，以集中力形式傳給機(jī)翼主要結(jié)構(gòu)的，其中有些力的數(shù)值可能很大。作為簡化模型，當(dāng)機(jī)翼分成兩半與機(jī)身在其側(cè)邊相連時(shí)，可把每半個(gè)機(jī)翼看作固定支持或彈性支持在機(jī)身上的懸臂梁。若機(jī)翼為一整體時(shí)，則把它看作是支持在機(jī)身上的雙支點(diǎn)外伸梁。二、機(jī)翼的邊界條件三、懸臂梁的剪力和彎矩Q+dQQQQ+dQQ-(Q+dQ)-qdx=0dQ

/dx=-q9機(jī)翼上的載荷向機(jī)身傳遞過程中，在機(jī)翼中引起的內(nèi)力有：剪力Qn，Qh，彎矩Mn，Mh

和扭矩Mt。M+qdx(dx/2)+(Q+dQ)dx-(M+dM)=0

dM/dx=Q通常Qn>>Qh，Mn

>>Mh，而弦平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)寬度和慣性矩很大，Qh和Mh引起的正應(yīng)力和剪應(yīng)力比Qn和

Mn引起的應(yīng)力小得多，故近似分析時(shí)常不考慮Qh和Mh，只考慮Qn,Mn

和Mt

，并且將它們簡寫為Q、M

和

Mt。Q+dQQQQ+dQ圖4-2機(jī)翼的總體內(nèi)力四、機(jī)翼的內(nèi)力10機(jī)翼任一剖面中的分布載荷所引起的剪力和彎矩為式中q=

qa-qc

l

/2—機(jī)翼半展長分布載荷引起的剖面扭矩式中mt=

qa?e+

qc?d

l

/2—機(jī)翼半展長剛心軸線11§4.3機(jī)翼的結(jié)構(gòu)形式在具體的結(jié)構(gòu)尚未設(shè)計(jì)確定以前，剛心線位置還不知道，這時(shí)可以近似取一根垂直于機(jī)身軸線的直線作為相對軸。對相對軸的扭轉(zhuǎn)雖然不是真正的扭矩，但在彎扭未曾分開計(jì)算的情況下，求得的正應(yīng)力、剪應(yīng)力與彎扭分開計(jì)算的結(jié)構(gòu)（扭矩按相對剛心軸計(jì)算）完全相同。機(jī)翼元件縱向元件：翼梁、縱墻、桁條橫向元件：普通翼肋、加強(qiáng)翼肋蒙皮組成內(nèi)部受力骨架機(jī)翼結(jié)構(gòu)組成12一、各元件的承載特點(diǎn)這些元件的基本功用是：形成和保持機(jī)翼外形，以產(chǎn)生氣動(dòng)力，承受和傳遞外載荷。各元件的承載特點(diǎn)表載荷承力元件應(yīng)力Q翼梁腹板、縱墻腹板剪應(yīng)力M翼梁緣條、桁條、蒙皮正應(yīng)力Mt翼梁、縱墻腹板以及蒙皮組成的閉室剪應(yīng)力13二、主要受力元件1、蒙皮蒙皮的直接功用是形成流線形的機(jī)翼外表面，并參與機(jī)翼的總體受力。為了保證表面光滑度，蒙皮應(yīng)有足夠的橫向彎曲剛度。蒙皮可以和桁條組成整體式的壁板承受正應(yīng)力（圖3.8a），此外還有夾芯蒙皮（圖3.8b）金屬蒙皮整體蒙皮142、翼肋

普通翼肋的直接功用是形成機(jī)翼剖面所需的形狀。它與長桁、蒙皮相連，并以自身平面內(nèi)的剛度給長桁、蒙皮提供垂直方向的支持。3、翼梁由腹板和緣條組成。是單純的受力件，承受剪力Q和彎矩M。翼梁大多數(shù)在根部與機(jī)身固接。加強(qiáng)翼肋也具有上述作用，但其主要是用來承受自身平面內(nèi)的較大集中載荷，或由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)（如大開口）引起的附加剪流。154、縱墻（腹板）5、長桁長桁是與蒙皮和翼肋相連的縱向元件，是縱向骨架中的重要受力元件之一。長桁和翼肋在一起，還對蒙皮起支撐作用。機(jī)翼的特點(diǎn)：機(jī)翼是薄壁結(jié)構(gòu)，各元件之間的連接大多采用分散連接，如鉚接、螺接、點(diǎn)焊等?？v墻的緣條比梁緣條弱得多，但還是強(qiáng)于一般的桁條，與機(jī)身的連接為鉸接。腹板或沒有緣條，或緣條與長桁一樣強(qiáng)。墻和腹板都不能承受彎矩，而是與蒙皮組成封閉盒段，以承受扭矩。對蒙皮支持作用，后墻還有封閉機(jī)翼內(nèi)部容積的作用。16三、機(jī)翼的結(jié)構(gòu)形式1、梁式：主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是縱向有很強(qiáng)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。與機(jī)身的連接形式梁式機(jī)翼通常作成兩個(gè)半機(jī)翼，即機(jī)翼常在機(jī)身兩側(cè)有設(shè)計(jì)分離面，并就在此分離面處借助幾個(gè)對接接頭與機(jī)身連接。機(jī)翼的典型結(jié)構(gòu)形式梁式：單梁、雙梁、多梁式單塊式多腹板式混合式17

2、單塊式：主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是長桁較多、較強(qiáng)，蒙皮較厚，翼肋較密，一般梁緣條的剖面面積與長桁的剖面面積接近或略大一些，有時(shí)只布置縱墻而不采用緣條面積較大的翼梁。分類按翼梁的數(shù)量，可分為單梁式、雙梁式和多梁式(3-5根梁)圖4-8單塊式機(jī)翼1-長桁；2-翼肋；3-墻優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，蒙皮上大開口方便，開口對結(jié)構(gòu)承彎能力影響很?。贿B接簡單，對接點(diǎn)少。缺點(diǎn)蒙皮未能發(fā)揮承彎作用，蒙皮材料利用不充分；蒙皮易失穩(wěn)，影響氣流質(zhì)量，增大阻力，并易導(dǎo)致早期疲勞損壞；生存性低。單塊式18與機(jī)身的連接形式為了充分發(fā)揮單塊式機(jī)翼的傳力特點(diǎn)，機(jī)翼一般作成整體貫穿機(jī)身。整個(gè)機(jī)翼通過幾個(gè)接頭與機(jī)身相連。優(yōu)點(diǎn)蒙皮在氣動(dòng)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(qiáng)度及剛度均有所提高。安全可靠性好。缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對開口敏感。與中翼或機(jī)身接合點(diǎn)多，連接復(fù)雜。

3、多腹板式（多墻式）：主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是

這類機(jī)翼布置了較多的縱墻（一般多于5個(gè)，有的多達(dá)10余個(gè)），蒙皮較厚，無長桁，翼肋很少。厚蒙皮單獨(dú)承受全部彎矩。多腹板式機(jī)翼多用于高速飛機(jī)的小展弦比薄機(jī)翼。多腹板式194、混合式：介于梁式、單塊式、多腹板式之間的機(jī)翼結(jié)構(gòu)形式。如多腹板式機(jī)翼中墻的緣條也比較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)介于多腹板式和多梁式之間。有些機(jī)翼為了綜合發(fā)揮各種形式的優(yōu)點(diǎn)，在不同部位采用不同的結(jié)構(gòu)形式。與機(jī)身的連接形式一般在根部過渡成多梁式結(jié)構(gòu)，然后與機(jī)身相連。優(yōu)點(diǎn)抗彎材料分散在剖面上下緣，結(jié)構(gòu)效率高；局部剛度及總體剛度大；受力高度分散（多腹板抗剪、蒙皮分散受彎、多閉室承扭），破損安全特性好，生存性高。缺點(diǎn)不宜大開口；與機(jī)身連接點(diǎn)多?；旌鲜?0可見，機(jī)翼結(jié)構(gòu)形式是在合并維形元件和受力元件，使所有元件都參與總體受力，并且將材料都配置到提高結(jié)構(gòu)效率最有利的地方的原則上發(fā)展的。5、夾層結(jié)構(gòu)：夾層結(jié)構(gòu)夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是使采用夾層板作為面板（元件），中間夾以芯層構(gòu)成。芯層材料：輕質(zhì)木材、硬泡沫塑料，或以金屬材料或復(fù)合材料制成波紋板或蜂窩格作為芯層等。也可以用紙做成蜂窩芯層的。面板材料：鋁合金、不銹鋼、鈦合金及各種復(fù)合材料等。芯層與面板的連接：膠接、焊接等。目前應(yīng)用最多的夾層結(jié)構(gòu)是鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。2122§4.4平直機(jī)翼的傳力分析一、傳力分析的一般原理1、傳力分析的概念、目的

“傳力分析”的一般含義：當(dāng)支承在某基礎(chǔ)上的一個(gè)結(jié)構(gòu)受有某種外載，分析這些外載如何通過結(jié)構(gòu)的各個(gè)元件逐步地向支承它的基礎(chǔ)傳遞，則稱此過程為結(jié)構(gòu)的傳力分析。

傳力分析不可能給出精確的量的概念，而只是通過定性的或粗定量的分析來研究結(jié)構(gòu)的傳力特性，并進(jìn)而研究結(jié)構(gòu)的受力形式和主要受力構(gòu)件的布置等問題。傳力分析的目的：了解結(jié)構(gòu)受力的物理本質(zhì)，并弄清楚每個(gè)主要受力元件在結(jié)構(gòu)中的作用和地位。23從受力的角度看，機(jī)翼結(jié)構(gòu)有弄清楚結(jié)構(gòu)所受的載荷最后應(yīng)傳向何處。通常分析機(jī)翼時(shí)，以機(jī)身為支持基礎(chǔ)；分析機(jī)身時(shí)，以機(jī)翼作為支持基礎(chǔ)。分清結(jié)構(gòu)的主要和次要受力部分，主要和次要受力元件。首先著重研究在總體受力中占主導(dǎo)地位的受力部分和元件的受力傳力作用，次要元件和次要部分通?？梢月匀?。對主要元件的連接關(guān)系、連接方式進(jìn)行詳細(xì)了解，以便正確確定支持形式和傳力方式。2、實(shí)際結(jié)構(gòu)傳力分析的基本方法主要部分：如主要受力翼盒次要部分：如機(jī)翼后緣主要構(gòu)件元件：如翼梁、肋、長桁、蒙皮、接頭等次要元件：如連接角片、墊片等傳力分析中，著重研究參加承受機(jī)翼總體力的主要結(jié)構(gòu)元件、主要部分的傳力情況。對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳力分析的基本方法：24依次選取元件為分離體，按靜力平衡條件逐步分析，這樣才能反映出正確的傳力路線。分析傳力時(shí)，還須具備剛度概念。對靜不定系統(tǒng)

a)載荷分配與元件剛度有關(guān)。剛度大，分配到的載荷大；b)載荷分配與支持剛度有關(guān)。剛性支持分配到的載荷大，彈性支持分配到的載荷?。籧)傳力多少與傳力路線的長度有關(guān)，傳力路線短的元件，傳走的力多。（剛度概念對分辨主、次受力元件，選取計(jì)算模型，對靜不定結(jié)構(gòu)作近似設(shè)計(jì)計(jì)算，布置受力元件時(shí)有意識地分配載荷，控制傳力路線等都很有用。）25判斷一個(gè)構(gòu)件或元件能否傳遞某種載荷，就要看它在此種載荷下是否滿足強(qiáng)度要求，或是否會產(chǎn)生過大的變形（超過容許的變形量）。飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)大多是薄壁結(jié)構(gòu)，基本上由板、桿組成。各構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中應(yīng)根據(jù)它們的傳力特性進(jìn)行最佳組合，使它們分別承擔(dān)最符合各自受力特點(diǎn)的載荷，這樣才能使設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)重量輕。3、基本結(jié)構(gòu)元件的傳力特性（1）桿只能承受（或傳遞）沿桿軸向的分散力或集中力。機(jī)翼中的長桁、翼梁緣條就屬此類元件。因?yàn)闂U的抗彎能力很小，故認(rèn)為它不能受彎矩，或只能受很小的彎矩（如長桁上局部氣動(dòng)載荷引起的彎矩）。26（2）薄板在垂直于板中面方向：根本不能承受橫向集中載荷，只能承受橫向分布載荷，如氣動(dòng)載荷、增壓艙的壓力載荷、燃油艙燃油質(zhì)量載荷和氣壓載荷等。在平行于板中面方向：如直接承受集中力，薄板將被局部撕裂或壓塌；能夠承受板平面內(nèi)的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力。抗拉能力強(qiáng)，抗剪次之，抗壓能力最低?；窘Y(jié)構(gòu)元件的傳力特性27（3）平面板桿結(jié)構(gòu)它由位于同一平面內(nèi)的板、桿組成，適宜受作用在該平面內(nèi)的載荷。因?yàn)闂U宜于受軸向力，因此，可沿板桿結(jié)構(gòu)中的任何桿件加以沿桿軸方向的力。板桿結(jié)構(gòu)中的矩形板（或梯形板）則有兩種受載情況：板、桿之間只能相互傳遞剪流。如果板將拉伸應(yīng)力傳給桿時(shí)，則從右圖可知，必定會使桿受到一橫向載荷而引起彎矩，這將與桿不能受彎的假設(shè)相矛盾。三角形板桿結(jié)構(gòu)因?yàn)榱夭荒芷胶?，其中的板不能受剪力。三角形板桿結(jié)構(gòu)板不受載M板、桿傳遞法向載荷，則桿將受彎矩28（4）平面梁可以是薄壁結(jié)構(gòu)組合梁，也可以是整體梁，它適于受梁平面內(nèi)的載荷。在傳力分析中，可近似認(rèn)為腹板只受分布剪流形式的剪力，而緣條作為桿元受