飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-第二章

第二章、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載和典型構(gòu)造本章內(nèi)容

1飛機(jī)的外載荷

2介紹機(jī)翼、尾翼和機(jī)身的典型結(jié)構(gòu)

1/3/20251第二章、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外載和典型構(gòu)造2.1飛機(jī)的外載荷

一.

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要載荷

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.思維要點(diǎn)：主要載荷形式；②主要載荷分類；③作用于結(jié)構(gòu)如何分析。

1/3/20252

2.1飛機(jī)的外載荷

2.載荷的參照坐標(biāo)系：機(jī)體坐標(biāo)系

1/3/20253

2.1飛機(jī)的外載荷

3.基本載荷形態(tài)及分析

從飛行原理上可以知道：

加力飛行；勻速平直飛行；停機(jī)、滑跑狀態(tài)。

1/3/20254

2.1飛機(jī)的外載荷

1/3/20255

2.1飛機(jī)的外載荷1/3/20256

2.1飛機(jī)的外載荷

飛機(jī)的外載：重力（G)、升力（Y)、

阻力（X）、推力（P）、起落架載荷。

慣性力：質(zhì)量乘以加速度的負(fù)值質(zhì)量力：飛機(jī)重力G（mg）和慣性力N(-ma)均與飛機(jī)質(zhì)量m有關(guān)，故統(tǒng)稱為質(zhì)量力。1/3/20257

2.1飛機(jī)的外載荷達(dá)朗倍爾動靜分析（剛體動平衡）

1/3/20258

2.1飛機(jī)的外載荷

飛機(jī)的外載圖像演示1/3/20259

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)1.俯沖拉起: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。1/3/2025102.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

動平衡關(guān)系：（機(jī)體坐標(biāo)系y向）

,表現(xiàn)了運(yùn)動的變速特征（曲線運(yùn)動）

即：

升力等于G乘上一個(gè)系數(shù)，該系數(shù)稱為載荷系數(shù)。1/3/2025112.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)分析該曲線運(yùn)動中，的特性：①②與曲線航跡半徑成反比，與切線運(yùn)動速度的平方成正比，這表明：若一定，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；若一定，v一定，則速度就要限制。③由此看來，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的無量綱載荷系數(shù)。

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2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)二.載荷系數(shù)的概念1.載荷系數(shù)定義：除重力外，作用在飛機(jī)某方向上的所有外力的合力與當(dāng)時(shí)飛機(jī)重量的比值，稱為該方向上的載荷系數(shù)。Note：①對重力視可不見；②千萬不能計(jì)及慣性力；③機(jī)體坐標(biāo)系為正向；④載荷系數(shù)是一矢量，分量用nx、ny、nz表示。e.g.平直勻速飛行：ny=1

平直勻速倒飛：ny=-1（-Y/G

Y與機(jī)體坐標(biāo)系相反）

1/3/202513

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

(2)物理意義：①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；②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）③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：1/3/2025142.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)④飛機(jī)中的某集中質(zhì)量GI=mig，作用在結(jié)構(gòu)上的質(zhì)量力為： ⑤當(dāng)飛機(jī)沿x方向有變速運(yùn)動時(shí)，x向慣性力：

若俯沖拉起中的曲線運(yùn)動中，切向是加速運(yùn)動，則：

⑥nz=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)。

1/3/2025152.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

2、實(shí)用意義 ①作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重要原始載荷系數(shù)；

②n的大小實(shí)際反映了飛機(jī)的機(jī)動性能；

③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)。

④可通過在飛機(jī)重心處安裝加速度計(jì)來獲取。

1/3/202516

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

三、其他飛行姿態(tài)的過載

1、進(jìn)入俯沖狀態(tài)：

（可能為負(fù)，說明升力不總是正的）2、垂直俯沖狀態(tài)：

(外作用合力等于慣性力合力的負(fù)值)

1/3/202517

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

3、等速水平盤旋：（非對稱機(jī)動飛行）

1/3/2025182.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

1/3/202519

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)4、垂直突風(fēng)(在航跡運(yùn)動坐標(biāo)系中分析)1/3/2025202.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

（1）計(jì)算突風(fēng)引起的升力變化:

（2）計(jì)算載荷系數(shù)

Note:若突風(fēng)不垂直飛機(jī)時(shí),應(yīng)怎樣處理?

1/3/202521

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

5、飛機(jī)轉(zhuǎn)動(升降)時(shí)的過載(剛體運(yùn)動分析)1/3/2025222.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

①運(yùn)動分析:

旋轉(zhuǎn)+平移②

載荷分析:當(dāng)平尾產(chǎn)生機(jī)動載荷時(shí),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(gè)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。

1/3/202523

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

Ⅰ.平移速度載荷系數(shù)(質(zhì)點(diǎn))(外載分析法)

Ⅱ.繞中心轉(zhuǎn)動的載荷系數(shù)(質(zhì)量力分析法)Note:

①表示單位長度上的重力②

集中裝載物(發(fā)動機(jī),機(jī)載設(shè)備)③要注意裝載物較長的情況,當(dāng)作集中點(diǎn)誤差太大,則應(yīng)

(繞自身重心軸的質(zhì)量慣性矩)

i表示轉(zhuǎn)動軸線上的任意位置

YtmyxiNiyNiyx1/3/202524

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

6、著陸時(shí)的過載

1/3/202525

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

①

這里的過載定義與空中飛行情況不同。當(dāng)空中勻速飛行時(shí),ny=1表示Y/G=1

地面滑行或停止態(tài)時(shí),再以升力來定義已毫無意義,

應(yīng)以地面的支撐載荷與重量之比來定義,

即ny=1=Plg/GNote:i.

這兩種情況下的ny=1,但飛機(jī)結(jié)構(gòu)的承載方式卻完全不同,勻速平飛是一種分布載荷作用,而著陸主要是以集中力形式作用于起落架上,通過起落架作用于機(jī)身。

1/3/202526

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

ii.工程上,常稱平飛時(shí)ny=1為平飛的1g(g是以重力為單位)；停機(jī)時(shí)ny=1為停機(jī)的1g1/3/202527

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

②

著陸時(shí)載荷分析:從著陸前到完全著陸瞬間,飛機(jī)y向速度從-Vy減至零,故此時(shí)的減速度為:

所以，減速度a指向機(jī)體坐標(biāo)系y的正向，故此時(shí)的慣性力(作用于地面)的方向是向下的。由動平衡分析:

1/3/202528

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

③

由著陸時(shí)的載荷(地面給予的外載荷)與重量之比 的過載定義,即設(shè):

④這個(gè)過載不允許過大,一般ny=3~4(因?yàn)榕c飛行時(shí)對結(jié)構(gòu)與人的作用不同)

著陸或滑時(shí)的情況多樣,還可能發(fā)生nx,或nz.1/3/202529

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

7、飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)最大載荷系數(shù)的選?、儆绊戇x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。Ⅱ.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。

1/3/202530

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

Ⅲ.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。Ⅳ.

飛行時(shí)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。Ⅴ.

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。1/3/202531

2.2典型飛行姿態(tài)和載荷系數(shù)

②

人對過載的反映：

②說明人在短時(shí)間承受較大過載尚可，特別是正過載。較長時(shí)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。④規(guī)范中的過載系數(shù)可供選擇(飛行包線上給定）。1/3/202532

2.3復(fù)雜載荷情況

飛機(jī)是一種反復(fù)使用的運(yùn)載工具或作戰(zhàn)武器。服役期內(nèi)會遇到各種載荷。設(shè)計(jì)中，不僅應(yīng)掌握典型設(shè)計(jì)狀態(tài)中的極限載荷及其對結(jié)構(gòu)作用的分析方法，（以作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)極限能力的設(shè)計(jì)依據(jù)）；還應(yīng)把握這些載荷的變化規(guī)律，作用次數(shù)等統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因?yàn)檫@些雖未達(dá)到極限狀態(tài)，但長期作用仍對結(jié)構(gòu)有破壞作用，這就是通常所說的疲勞載荷。

1/3/202533

2.3復(fù)雜載荷情況

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。

類型：1.突風(fēng)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)；2.機(jī)動載荷：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；3.增壓載荷：氣密壓艙一個(gè)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.著陸撞擊載荷：一個(gè)起落一次撞擊，撞擊載荷的強(qiáng)度；

1/3/202534

2.3復(fù)雜載荷情況

⑤地面滑行載荷：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)；⑥發(fā)動機(jī)動力裝置的熱反復(fù)載荷；⑦地-空-地循環(huán)載荷：飛行地面滑行時(shí)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載荷；⑧其他：機(jī)翼尾流對尾翼的周期性作用

tp1/3/202535

2.3復(fù)雜載荷情況

作用：①

設(shè)備工作的影響；②

人員的不適；③

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 ④

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)。二、其他特殊情況載荷

1、非正常狀態(tài)載荷:單發(fā)停車、尾旋、單輪著地、打地轉(zhuǎn)、機(jī)頭碰地、飛機(jī)翻倒、強(qiáng)迫著陸等情況。

1/3/202536

2.3復(fù)雜載荷情況

2、鳥撞載荷鳥撞試驗(yàn)，2km以下最大飛行速度飛行時(shí)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、速度等）4、噪聲：聲壓場測量

預(yù)測聲載荷大小、分布、作用時(shí)間，聲振結(jié)構(gòu)疲勞分析動力裝置噪音：螺旋槳、壓氣機(jī)、噴氣的噪音空氣動力噪音：附面層壓力波動、尾流、激波振蕩武器發(fā)射噪音：機(jī)炮、導(dǎo)彈、火箭發(fā)射5、瞬時(shí)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。1/3/202537

2.3復(fù)雜載荷情況

三、環(huán)境譜的編制 前面的載荷譜為載荷大小隨時(shí)間的變化，即載荷—時(shí)間歷程，環(huán)境譜則為環(huán)境強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，即環(huán)境—時(shí)間歷程。一架飛機(jī)使用壽命：民機(jī)30000――60000飛行小時(shí)軍機(jī)3000－8000飛行小時(shí)日歷壽命20―25年地面停放的影響主要是環(huán)境。1.環(huán)境譜的編制步驟：

①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）②根據(jù)戰(zhàn)、技要求或使用要求，確定飛機(jī)在不同地域服役時(shí)間 ③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(shí) 間和該任務(wù)的使用百分比），確定各任務(wù)段的時(shí)間比例及地面停放時(shí)間比例； ④獲取環(huán)境數(shù)據(jù)；⑤編制各類環(huán)境譜。

1/3/202538

2.3復(fù)雜載荷情況

2、溫度效應(yīng)及其載荷

來源：

①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)：

②發(fā)動機(jī)燃燒及其尾部熱氣流對結(jié)構(gòu)的作用。

作用：

①一般降低結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)、剛度；

②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。③

熱的蠕變效應(yīng)。tδ1/3/202539

2.4飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范

飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范簡介：

①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).

②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。

③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。

④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。1/3/202540

2.4飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范

一、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）①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）②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=-3~8

半機(jī)動類（戰(zhàn)術(shù)轟炸機(jī)，多用途飛機(jī)）ny=-2~4、非機(jī)動類（戰(zhàn)略轟炸機(jī)，運(yùn)輸機(jī)）ny=-1~31/3/202541

2.4飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范

二、規(guī)定了飛行包線及設(shè)計(jì)情況

1、設(shè)計(jì)情況具有代表性的最嚴(yán)重的各種飛機(jī)載荷情況。使飛機(jī)結(jié)構(gòu)易遭到破壞、人員設(shè)備易受損傷的載荷情況都應(yīng)入選最大的正向和反向載荷情況對主要結(jié)構(gòu)件將產(chǎn)生危險(xiǎn)損壞的載荷情況對飛行戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響的載荷情況對人員將產(chǎn)生損傷的載荷情況總載不大，但載荷作用的具體情況特殊，影響嚴(yán)重，也應(yīng)作為設(shè)計(jì)情況考慮。對稱機(jī)動飛行包線的A,B,D,E情況非對稱機(jī)動中的滾轉(zhuǎn)機(jī)動、滾轉(zhuǎn)改出對稱著陸情況、偏航著陸、單個(gè)起落架著陸情況等。1/3/202542

2.4飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范

2、設(shè)計(jì)重量①最小飛行重量；空機(jī)重＋5％燃油＋最少乘員②最大設(shè)計(jì)重量；攜帶最大機(jī)內(nèi)及機(jī)外裝載③基本飛行設(shè)計(jì)重量；空機(jī)重＋50％燃油＋基本武器重量＋乘員、滑油、氧氣重量④著陸設(shè)計(jì)重量。最大設(shè)計(jì)重量－50％機(jī)內(nèi)及機(jī)外燃油1/3/202543

2.4飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范

3.飛行包線i.

依據(jù)飛機(jī)飛行性能、操縱性、穩(wěn)定性以及技戰(zhàn)術(shù)要求，結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度要求等綜合確定的飛機(jī)飛行極限（ny—vdl圖）。ii.

典型飛行狀況的飛行包線

Ⅲ.典型飛行載荷工況：

a)對稱機(jī)動飛行下的使用載荷；

b)急劇俯仰機(jī)動；

c)襟翼放下拉起狀態(tài)；

d)滾轉(zhuǎn)與滾轉(zhuǎn)改出機(jī)動等。1/3/202544

2.4飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范

4、安全系數(shù)：fi.安全系數(shù)是靜強(qiáng)度安全設(shè)計(jì)的主要解決方法。

使用載荷：飛機(jī)在使用中預(yù)計(jì)各構(gòu)件可能遇到的最大載荷

設(shè)計(jì)載荷：使用載荷乘以安全系數(shù)安全系數(shù)取法凡在規(guī)范中未作特殊說明之處，安全系數(shù)均為1.5；當(dāng)載荷的性質(zhì)、大小和分布不能準(zhǔn)確確定時(shí)，安全系數(shù)增大到1.65、2或更大；對于主要的接頭和耳片，由于特殊重要性，在上述安全系數(shù)基礎(chǔ)上，尚應(yīng)乘以附加安全系數(shù)1.25ii.靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

1/3/202545

2.4飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范

iii.使用設(shè)計(jì)載荷的原因：a)保證結(jié)構(gòu)安全；b)反映靜不定結(jié)構(gòu)的承載能力，充分發(fā)揮靜不定結(jié)構(gòu)的承載能力，可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更輕；c)便于與破壞載荷的理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；d)f值選取的影響因素；e)設(shè)計(jì)要求（結(jié)構(gòu)不能有影響功能的永久變形，強(qiáng)度裕度）；f)材料應(yīng)力應(yīng)變特征(控制在一定應(yīng)力水平和應(yīng)變條件下）；g)工藝制造水平；h)計(jì)算、試驗(yàn)誤差（粗糙、準(zhǔn)確程度）。

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2.5民用飛機(jī)適航性

1適航管理?xiàng)l例

飛機(jī)在進(jìn)行運(yùn)輸及其他航空作業(yè)時(shí)，須適應(yīng)各種氣象、地形、距離、載荷、飛行高度、空中交通規(guī)則程序等項(xiàng)要求，才能安全、及時(shí)和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)送旅客或完成其他飛行作業(yè)。為了保證飛行安全，飛機(jī)首先要具備相應(yīng)的適航性能，為此世界各國民航當(dāng)局對飛機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維修等都制定了適航標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定或?qū)彾òl(fā)證以及實(shí)施檢查監(jiān)督。1/3/202547

2.5民用飛機(jī)適航性

主要內(nèi)容有：（1）

制定各類適航標(biāo)準(zhǔn)和審定監(jiān)督規(guī)則；（2）

民用航空器設(shè)計(jì)的型號合格審定（3）

民用航空器制造的生產(chǎn)許可審定（4）

民用航空器的適航檢查（5）

民用航空器的持續(xù)適航管理1/3/202548

2.5民用飛機(jī)適航性

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